Что такое PN-переход?

Что такое PN-переход?

Определение PN-перехода

PN-переход определяется как интерфейс между p-типом и n-типом полупроводниковых материалов в одном кристалле.

Создание PN-перехода

Теперь рассмотрим, как создается этот pn-переход. В p-типе полупроводника много дырок, а в n-типе полупроводника много свободных электронов.

В p-типе полупроводника также много тривалентных примесных атомов, и идеально, каждая дырка в p-типе полупроводника связана с одним тривалентным примесным атомом.

Мы используем слово "идеально", потому что мы не учитываем термически генерируемые электроны и дырки в кристалле. Когда электрон заполняет дырку, примесный атом, связанный с этой дыркой, становится отрицательно заряженным ионом.

Потому что теперь он содержит дополнительный электрон. Поскольку тривалентные примесные атомы принимают электроны и становятся отрицательно заряженными, примесь называется акцепторной примесью. Примесные атомы заменяют равное количество атомов полупроводника в кристалле и размещаются в кристаллической структуре.

Таким образом, примесные атомы неподвижны в кристаллической структуре. Когда эти тривалентные примесные атомы принимают свободные электроны и становятся отрицательно заряженными ионами, ионы остаются неподвижными. Аналогично, когда кристалл полупроводника легируется пентаценовой примесью, каждый атом примеси заменяет атом полупроводника в кристаллической структуре, поэтому эти примесные атомы становятся неподвижными в кристаллической структуре.

Каждый пентаценовый примесный атом в кристаллической структуре имеет один дополнительный электрон на внешней орбите, который он может легко удалить как свободный электрон. Когда он удаляет этот электрон, он становится положительно заряженным ионом.

Поскольку пентаценовые примесные атомы донируют электроны кристаллу полупроводника, они называются донорными примесями. Мы обсуждаем неподвижные акцепторные и донорные примесные атомы, потому что они играют ключевую роль в формировании PN-перехода.

Перейдем к моменту, когда p-тип полупроводника соприкасается с n-типом полупроводника, свободные электроны на n-типе полупроводника, ближе к переходу, сначала мигрируют в p-тип полупроводника из-за диффузии, так как концентрация свободных электронов намного выше в n-области, чем в p-области.

Электроны, пришедшие в p-область, объединяются с первой найденной дыркой. Это означает, что свободные электроны, пришедшие из n-области, объединяются с акцепторными примесными атомами, ближе к переходу. Этот процесс создает отрицательные ионы.

Поскольку акцепторные примесные атомы, ближе к переходу в p-области, становятся отрицательными ионами, будет слой отрицательных неподвижных ионов в p-области, прилегающей к переходу.

Свободные электроны в n-области сначала мигрируют в p-область, чем свободные электроны в n-области, находящиеся дальше от перехода. Это создает слой неподвижных положительных ионов в n-области, прилегающей к переходу.

После формирования достаточно толстого слоя положительных ионов в n-области и отрицательных ионов в p-области, больше не будет диффузии электронов из n-области в p-область, так как перед свободными электронами стоит отрицательная стенка. Эти два слоя ионов образуют PN-переход.

Поскольку один слой отрицательно заряжен, а другой положительно, между переходом формируется электрический потенциал, действующий как потенциальный барьер. Этот барьерный потенциал зависит от материала полупроводника, уровня легирования и температуры.

Найдено, что барьерный потенциал для германия составляет 0,3 вольта при 25°C, а для кремния — 0,7 вольта при той же температуре.

Этот потенциальный барьер не содержит свободных электронов или дырок, так как все свободные электроны объединяются с дырками в этом регионе, и из-за истощения носителей заряда (электронов или дырок) в этом регионе, он также называется зоной истощения. Хотя диффузия свободных электронов и дырок прекращается после создания определенного толстого слоя зоны истощения, практически толщина этого слоя очень мала, в пределах микрометров.