Mi az a PN-junction?

Mi az a PN csomó?

PN csomó definíció

A PN csomót egyetlen kristályban lévő p-típusú és n-típusú fémes vezető anyagok közötti felületként definiáljuk.

PN csomó készítése

Vizsgáljuk meg, hogyan jön létre ez a pn csomó. A p-típusú fémes vezetőben sok lyuk van, míg az n-típusú fémes vezetőben sok szabad elektron található.

Azonban a p-típusú fémes vezetőben számos trivalens vegyületelem található, és ideális esetben minden lyuk a p-típusú fémes vezetőben hozzárendelhető egy trivalens vegyületelemehez.

Az "ideális" szót használjuk, mert figyelmen kívül hagyjuk a kristályban termikusan generált elektronokat és lyukakat. Amikor egy elektron kitölti egy lyukat, a hozzá tartozó vegyületelem negatívan töltött ión lesz.

Ezért, mivel most már egy extra elektront tartalmaz. Mivel a trivalens vegyületelemek elektronokat fogadnak el és negatívan töltötté válnak, a vegyületelemeket elfogadó vegyületelemnek nevezik. A vegyületelemek egyenlő mennyiségű fémes vezetőatomot helyettesítenek a kristályban és beilleszkednek a kristály szerkezetébe.

Tehát a vegyületelemek statikusak a kristály szerkezetében. Amikor ezek a trivalens vegyületelemek elektronokat fogadnak el és negatívan töltött iónokká válnak, az iónok továbbra is statikusak maradnak. Ugyanígy, amikor egy fémes vezető kristályt pentavalens vegyületelemmel dobják, minden vegyületelem kristályatomot helyettesít a kristály szerkezetében; tehát ezek a vegyületelemek statikusak a kristály szerkezetében.

Minden pentavalens vegyületelem a kristály szerkezetében egy extra elektront tartalmaz az utolsó pályán, amit könnyen el lehet távolítani mint szabad elektron. Amikor elveszi ezt az elektront, pozitívan töltött ión lesz.

Mivel a pentavalens vegyületelemek elektronokat adnak a fémes vezető kristálynak, ezért donor vegyületelemeknek nevezik őket. A statikus elfogadó és donor vegyületelemekről beszélünk, mert kulcsszerepet játszanak a PN csomó kialakításában.

Amikor egy p-típusú fémes vezető érintkezik egy n-típusú fémes vezetővel, az n-típusú fémes vezetőn lévő szabad elektronok, melyek közelebb vannak a csomóhoz, először a p-típusú fémes vezetőbe migrálnak diffúzió miatt, mivel az n-típusú régióban a szabad elektronok koncentrációja sokkal nagyobb, mint a p-típusú régióban.

Az elektronok, amik a p-régióba kerülnek, összevonulnak a legelső talált lyukakkal. Ez azt jelenti, hogy az n-típusú régióból eredő szabad elektronok összevonulnak a csomóhoz közeli elfogadó vegyületelemekkel. Ez a jelenség negatívan töltött iónokat hoz létre.

Mivel a csomóhoz közeli p-típusú régióban lévő elfogadó vegyületelemek negatívan töltött iónokká válnak, egy negatívan töltött iónok rétege alakul ki a p-régióban a csomó mellett.

Az n-típusú régióban lévő szabad elektronok először a p-típusú régióba migrálnak, mint az n-típusú régióban lévő szabad elektronok, amik messzebb vannak a csomótól. Ez egy pozitívan töltött iónok rétegét hozza létre az n-típusú régióban a csomó mellett.

A megfelelő vastagságú pozitívan töltött iónok réteg kialakulása az n-típusú régióban és a negatívan töltött iónok réteg a p-típusú régióban után, már nem történik elektronok további diffúziója az n-típusú régióból a p-típusú régióba, mivel egy negatív fal áll a szabad elektronok előtt. Ezek a két iónok rétegek alkotják a PN csomót.

Mivel az egyik réteg negatívan töltött, a másik pedig pozitívan töltött, elektromos potenciál alakul ki a csomó mentén, ami potenciális akadályként működik. Ez az akadálypotenciál függ a fémes vezető anyagtól, a dopolálási szinttől és a hőmérséklettől.

Megállapították, hogy a germainium fémes vezető akadálypotenciálja 0,3 volt 25°C-on, míg a krisztálygermánium esetén 0,7 volt ugyanazon a hőmérsékleten.

Ez a potenciális akadály nem tartalmaz szabad elektronokat vagy lyukakat, mivel a szabad elektronok összevonulnak a lyukakkal ebben a régióban, és a töltésviszonyok (elektronok vagy lyukak) hiányával, ezt a régiót szigetelt régiónak is nevezik. Bár a szabad elektronok és lyukak diffúziója leáll egy bizonyos vastagságú szigetelt réteg kialakulása után, gyakorlatilag ennek a szigetelt rétegnek a vastagsága nagyon apró, mikrométeres skálán mozog.