Što je PN spoj?

Što je PN spoj?

Definicija PN spoja

PN spoj se definira kao sučelje između p-tipa i n-tipa poluprovodnih materijala u jednom kristalu.

Stvaranje PN spoja

Sada ćemo ispitati kako se ovaj PN spoj stvara. U p-tipu poluprovodnika postoji puno rupa, a u n-tipu poluprovodnika postoji puno slobodnih elektrona.

U p-tipu poluprovodnika, također, postoji mnogo trivalentnih impuritnih atoma, i idealno, svaka rupa u p-tipu poluprovodnika je povezana s jednim trivalentnim impuritnim atomom.

Koristimo riječ 'idealno' jer zanemarujemo termalno generirane elektrone i rupe u kristalu. Kada elektron zapuni rupu, impuritni atom povezan s tom rupom postaje negativni ion.

To je zato što sada sadrži dodatnog elektrona. Budući da trivalentni impuritni atomi prihvaćaju elektrone i postaju negativno naelektrisan, impuritet se naziva akceptor impuritet. Impuritni atomi zamjenjuju jednak broj atomske strukture poluprovodnika u kristalu i smještaju se u kristalnu strukturu.

Stoga, impuritni atomi su statički u kristalnoj strukturi. Kada ti trivalentni impuritni atomi prihvate slobodne elektrone i postaju negativni ioni, ioni ostaju statički. Slično tome, kada kristal poluprovodnika dopiran je pentavalentnim impuritetom, svaki atom impuriteta zamjenjuje atom poluprovodnika u kristalnoj strukturi; stoga ti impuritni atomi postaju statički u kristalnoj strukturi.

Svaki pentavalentni impuritni atom u kristalnoj strukturi ima jedan dodatni elektron u najspoljnjem orbitu koji može lako ukloniti kao slobodni elektron. Kada ukloni taj elektron, postaje pozitivno naelektrisan ion.

Budući da pentavalentni impuritni atomi doniraju elektrone kristalu poluprovodnika, oni se nazivaju donor impuriteti. Govorimo o statičkim akceptorima i donorima impuritnih atoma jer igraju ključnu ulogu u formiranju PN spoja.

Kada p-tip poluprovodnika dodirne n-tip poluprovodnika, slobodni elektroni na n-tipu poluprovodnika bliži spoju prvo migriraju u p-tip poluprovodnika zbog difuzije, jer je koncentracija slobodnih elektrona mnogo veća u n-regiji nego u p-regiji.

Elektroni koji dođu u p-regiju kombinirat će se sa rupama koje prvo nađu. To znači da slobodni elektroni koji dolaze iz n-regije kombinirat će se s akceptor impuritnim atomima bližim spoju. Ovaj fenomen stvara negativneione.

Kako akceptor impuritni atomi bliži spoju u p-regiji postaju negativni ioni, bit će sloj statičkih negativnih iona u p-regiji uz spoj.

Slobodni elektroni u n-regiji prvo migrirat će u p-regiju nego slobodni elektroni u n-regiji daleko od spoja. To stvara sloj statičkih pozitivnih iona u n-regiji uz spoj.

Nakon formiranja dovoljno debljeg sloja pozitivnih iona u n-regiji i negativnih iona u p-regiji, više neće biti difuzije elektrona iz n-regije u p-regiju, jer je ispred slobodnih elektrona negativna prepreka. Ovi oba sloja iona čine PN spoj.

Budući da je jedan sloj negativno naelektrisan, a drugi pozitivno, električni potencijal nastaje preko spoja, djelujući kao potencijalna prepreka. Ovaj potencijalna prepreka ovisi o poluprovodniku, razini dopiranja i temperaturi.

Utvrđeno je da je potencijalna prepreka za germanijev poluprovodnik 0,3 volta pri 25°C, a za silicijev poluprovodnik 0,7 volta pri istoj temperaturi.

Ova potencijalna prepreka ne sadrži nikakve slobodne elektrone ili rupe, jer su svi slobodni elektroni kombinirani s rupe u toj regiji, a zbog iscrpljenja nosača naboja (elektrona ili rupe) u toj regiji, ta se regija također naziva regija iscrpljenja. Iako difuzija slobodnih elektrona i rupe prestaje nakon stvaranja određene debljine regije iscrpljenja, praktično, debljina te regije iscrpljenja vrlo je mala, u opsegu mikrometara.