Wat is een PN-overgang?

Wat is een PN-overgang?

Definitie van PN-overgang

Een PN-overgang wordt gedefinieerd als de grens tussen p-type en n-type halfgeleidermaterialen in één kristal.

Een PN-overgang maken

Laten we nu kijken hoe deze PN-overgang wordt gemaakt. Er zijn veel gaten in de p-type halfgeleider en veel vrije elektronen in de n-type halfgeleider.

Opnieuw in de p-type halfgeleider zijn er talrijke trivalente impureit-atomen, en ideaal gezien is elk gat in de p-type halfgeleider verbonden met één trivalent impureit-atoom.

We gebruiken hier het woord 'ideaal' omdat we thermisch gegenereerde elektronen en gaten in het kristal negeren. Wanneer een elektron een gat vult, wordt het impureit-atoom dat bij dat gat hoort een negatieve ion.

Omdat het nu een extra elektron bevat. Aangezien de trivalente impureit-atomen elektronen accepteren en negatief geladen worden, wordt de impureit acceptorimpureit genoemd. De impureit-atomen vervangen een gelijk aantal halfgeleideratomen in het kristal en plaatsen zich in de kristalstructuur.

Daarom zijn de impureit-atomen statisch in de kristalstructuur. Wanneer deze trivalente impureit-atomen vrije elektronen accepteren en negatieve ionen worden, blijven de ionen nog steeds statisch. Op dezelfde manier, wanneer een halfgeleiderkristal wordt gedopeerd met pentavalente impureit, vervangt elk atoom van de impureit een halfgeleideratoom in de kristalstructuur; daarom worden deze impureit-atomen statisch in de kristalstructuur.

Elk pentavalent impureit-atoom in de kristalstructuur heeft één extra elektron in de buitenste baan, dat het gemakkelijk kan loslaten als een vrij elektron. Wanneer het dat elektron loslaat, wordt het positief geladen ionen.

Aangezien pentavalente impureit-atomen elektronen aan het halfgeleiderkristal doneren, worden ze donorimpureiten genoemd. We bespreken statische acceptor- en donorimpureitatomen omdat ze een sleutelrol spelen in het vormen van de PN-overgang.

Laten we teruggaan naar het moment waarop een p-type halfgeleider in contact komt met een n-type halfgeleider. Vrije elektronen op de n-type halfgeleider dichter bij de overgang migreren eerst naar de p-type halfgeleider door diffusie, omdat de concentratie van vrije elektronen veel groter is in de n-type regio dan in de p-type regio.

De elektronen die naar de p-regio komen, zullen combineren met de eerste gaten die ze vinden. Dat betekent dat de vrije elektronen die uit de n-type regio komen, zullen combineren met acceptorimpureitatomen dichter bij de overgang. Dit fenomeen maakt negatieve ionen.

Aangezien de acceptorimpureitatomen dichter bij de overgang in de p-type regio negatieve ionen worden, zal er een laag van negatieve statische ionen in de p-regio naast de overgang zijn.

De vrije elektronen in de n-type regio zullen eerst naar de p-type regio migreren dan de vrije elektronen in de n-type regio verder van de overgang. Dit creëert een laag van statische positieve ionen in de n-type regio naast de overgang.

Na de vorming van een voldoende dikke laag van positieve ionen in de n-type regio en negatieve ionen in de p-type regio, zal er geen verdere diffusie van elektronen van de n-type regio naar de p-type regio meer plaatsvinden, omdat er een negatieve muur voor de vrije elektronen staat. Deze beide lagen van ionen vormen de PN-overgang.

Aangezien één laag negatief geladen is en de andere positief, ontstaat er een elektrisch potentiaalverschil over de overgang, wat werkt als een potentiaalbarrière. Deze barrièrepotentiaal hangt af van het halfgeleidermateriaal, de dopingsgraad en de temperatuur.

Het is gevonden dat de barrièrepotentiaal voor germaniumhalfgeleiders 0,3 volt bedraagt bij 25°C, en voor siliciumhalfgeleiders 0,7 volt bij dezelfde temperatuur.

Deze potentiaalbarrière bevat geen vrije elektronen of gaten, omdat alle vrije elektronen in deze regio met gaten zijn gecombineerd. Door het uitputten van draaggolven (elektronen of gaten) in deze regio, wordt deze ook uitputtingsregio genoemd. Hoewel de diffusie van vrije elektronen en gaten stopt na de creatie van een bepaald dik uitputtingslaag, is de praktische dikte van deze uitputtingslaag zeer klein, in de orde van micrometers.