Hva er en PN-overgang?
Hva er en PN-forbindelse?
Definisjon av PN-forbindelse
En PN-forbindelse defineres som et grenseflate mellom p-typer og n-typer halvledermaterialer i en enkelt kristall.
Lage en PN-forbindelse
La oss nå se hvordan denne PN-forbindelsen opprettes. Det finnes mange hull i p-typer halvleder og mange fri elektroner i n-typer halvleder.
Igjen i p-typer halvleder, finnes det flere trivalent forurensningsatomer, og ideelt sett, hvert hull i p-typer halvleder er forbundet med én trivalent forurensningsatom.
Her bruker vi ordet 'ideelt' fordi vi ignorerer termisk genererte elektroner og hull i krystallet. Når et elektron fyller et hull, blir forurensningsatomet forbundet med dette hull til et negativt ion.
Fordi det nå inneholder et ekstra elektron. Siden trivalente forurensningsatomer aksepterer elektroner og blir negativt ladet, kalles forurensningen akseptorforurensning. Forurensningsatomen erstatter like mange halvlederatomer i krystallet og plasserer seg selv i krystallstrukturen.
Dermed er forurensningsatommene statiske i krystallstrukturen. Når disse trivalente forurensningsatommene aksepterer frie elektroner og blir negative ioner, forblir ionene stille. På samme måte, når et halvlederkristall dopes med pentavalent forurensning, erstatter hver forurensningsatom halvlederatomer i krystallstrukturen; derfor blir disse forurensningsatommene statiske i krystallstrukturen.
Hver pentavalent forurensningsatom i krystallstrukturen har et ekstra elektron i den ytterste banen som kan lett fjernes som et fritt elektron. Når det fjerner dette elektronet, blir det positivt ladet ioner.
Siden pentavalente forurensningsatomer donerer elektroner til halvlederkristallet, kalles de donorforurensninger. Vi diskuterer statiske akseptor- og donorforurensningsatomer fordi de spiller en nøkkelrolle i å danne PN-forbindelsen.
La oss komme til punktet da en p-typer halvleder kommer i kontakt med en n-typer halvleder, frie elektroner på n-typer halvleder nærmere forbindelsen migrerer først til p-typer halvleder på grunn av diffusjon fordi koncentrasjonen av frie elektroner er mye større i n-typer region enn i p-typer region.
Elektronene som kommer til p-regionen, vil kombinere med hullene de først finner. Dette betyr at de frie elektronene som kommer fra n-typer region, vil kombinere med akseptorforurensningsatomer nærmere forbindelsen. Dette fenomenet skaper negative ioner.
Da akseptorforurensningsatommene nærmere forbindelsen i p-typer region, blir negative ioner, vil det være et lag av negative statiske ioner i p-regionen ved siden av forbindelsen.
De frie elektronene i n-typer region vil migrere først til p-typer region enn de frie elektronene i n-typer region borte fra forbindelsen. Dette skaper et lag av statiske positive ioner i n-typer region ved siden av forbindelsen.
Etter at det er dannet et tilstrekkelig tykt lag av positive ioner i n-typer region og et lag av negative ioner i p-typer region, vil det ikke være mer diffusjon av elektroner fra n-typer region til p-typer region fordi det er en negativ veggen foran de frie elektronene. Disse to lagene av ioner danner PN-forbindelsen.
Siden ett lag er negativt ladet og det andre er positivt ladet, dannes det en elektrisk potensial over forbindelsen, som fungerer som en potensiell barriere. Denne barrierepotensialet avhenger av halvledermaterial, dopningsnivå, og temperatur.
Det er funnet at barrierepotensialet for germaniumhalvleder er 0,3 volt ved 25oC, og det er 0,7 volt for silisiumhalvleder ved samme temperatur.
Denne potensielle barriere inneholder ingen frie elektroner eller hull siden alle frie elektroner er kombinert med hull i denne regionen, og på grunn av uttømming av ladingsbærere (elektroner eller hull) i denne regionen, kalles den også uttømmelsesregion. Selv om diffusjon av frie elektroner og hull stopper etter opprettelsen av et visst tykt uttømmelseslag, er denne tynneheten av uttømmelseslaget veldig liten, i en rekkevidde av mikrometer.
