Co to jest złącze PN?

Czym jest złącze PN?

Definicja złącza PN

Złącze PN definiuje się jako granicę między materiałami półprzewodnikowymi typu p i n w jednym kryształu.

Tworzenie złącza PN

Przyjrzyjmy się teraz, jak powstaje to złącze PN. W półprzewodniku typu p znajduje się wiele dziur, a w półprzewodniku typu n wiele swobodnych elektronów.

W półprzewodniku typu p występują liczne atomy domieszkowe trivalentne, a idealnie każdy otwór w półprzewodniku typu p jest związany z jednym atomem domieszkowym trivalentnym.

Używamy słowa „idealnie”, ponieważ pomijamy elektrony i otwory generowane termicznie w krysztale. Gdy elektron wypełnia otwór, atom domieszkowy związany z tym otworem staje się jonem ujemnym.

Ponieważ zawiera teraz dodatkowego elektrona. Ponieważ atomy domieszkowe trivalentne akceptują elektrony i stają się naładowane ujemnie, domieszkę nazywa się akceptorową. Atomy domieszkowe zastępują równą liczbę atomów półprzewodnika w krysztale i umieszczają się w strukturze kryształu.

Dlatego atomy domieszkowe są statyczne w strukturze kryształu. Gdy te atomy domieszkowe trivalentne akceptują swobodne elektrony i stają się jonomi ujemnymi, jony pozostają nadal nieruchome. Podobnie, gdy kryształ półprzewodnika jest domieszkowany pięciowartościowymi domieszkami, każdy atom domieszkowy zastępuje atom półprzewodnika w strukturze kryształu; dlatego te atomy domieszkowe stają się statyczne w strukturze kryształu.

Każdy atom domieszkowy pięciowartościowy w strukturze kryształu ma jeden dodatkowy elektron w najbardziej zewnętrznej orbicie, który może łatwo usunąć jako swobodny elektron. Gdy usuwa ten elektron, staje się jonem dodatnio naładowanym.

Ponieważ atomy domieszkowe pięciowartościowe dają elektrony do kryształu półprzewodnika, nazywane są domieszkami dawcami. Dyskutujemy o statycznych atomach domieszkowych akceptorowych i dawczych, ponieważ odgrywają kluczową rolę w tworzeniu złącza PN.

Przejdźmy do momentu, gdy półprzewodnik typu p styka się z półprzewodnikiem typu n, wolne elektrony w półprzewodniku typu n blisko złącza najpierw migrują do półprzewodnika typu p z powodu dyfuzji, ponieważ stężenie wolnych elektronów jest znacznie większe w regionie typu n niż w regionie typu p.

Elektrony przechodzące do regionu p połączą się z pierwszymi napotkanymi otworami. To oznacza, że wolne elektrony pochodzące z regionu typu n połączą się z atomami domieszkowymi akceptorowymi bliskimi złącza. Ten fenomen tworzy jony ujemne.

Gdy atomy domieszkowe akceptorowe bliskie złącza w regionie typu p stają się jonami ujemnymi, powstaje warstwa statycznych jonów ujemnych w regionie p przyległym do złącza.

Wolne elektrony w regionie typu n najpierw przemieszczą się do regionu typu p, a następnie wolne elektrony w regionie typu n oddalonym od złącza. To tworzy warstwę statycznych jonów dodatnich w regionie typu n przyległym do złącza.

Po utworzeniu wystarczająco grubej warstwy jonów dodatnich w regionie typu n i warstwy jonów ujemnych w regionie typu p, nie będzie już więcej dyfuzji elektronów z regionu typu n do regionu typu p, ponieważ istnieje ujemna bariera przed swobodnymi elektronami. Te dwie warstwy jonów tworzą złącze PN.

Ponieważ jedna warstwa jest naładowana ujemnie, a druga dodatnio, powstaje potencjał elektryczny przez złącze, działając jako bariera potencjałowa. Ta bariera potencjałowa zależy od materiału półprzewodnika, poziomu domieszkowania i temperatury.

Stwierdzono, że potencjał bariery dla półprzewodnika germaninu wynosi 0,3 V przy 25oC, a dla półprzewodnika krzemu 0,7 V przy tej samej temperaturze.

Ta bariera potencjałowa nie zawiera żadnych wolnych elektronów ani otworów, ponieważ wszystkie wolne elektrony połączyły się z otworami w tym regionie, a ze względu na wyczerpanie nośników ładunku (elektronów lub otworów) w tym regionie, nazywany jest on również obszarem wyczerpania. Mimo że dyfuzja wolnych elektronów i otworów ustaje po utworzeniu pewnej grubej warstwy wyczerpania, praktycznie ta grubość warstwy wyczerpania jest bardzo mała, rzędu mikrometrów.