อะไรคือ PN จังชัน

PN Junction คืออะไร?

คำนิยามของ PN Junction

PN junction ถูกกำหนดเป็นอินเทอร์เฟซระหว่างวัสดุกึ่งตัวนำประเภท p และ n ในผลึกเดียว

สร้าง PN Junction

ตอนนี้เรามาดูว่า pn junction ถูกสร้างขึ้นอย่างไร มีหลุมมากมายในกึ่งตัวนำประเภท p และมีอิเล็กตรอนเสรีจำนวนมากในกึ่งตัวนำประเภท n

ในกึ่งตัวนำประเภท p มีอะตอมของสิ่งเจือปนที่มีวาเลนซ์สามหลายตัว และในทางทฤษฎีแล้ว แต่ละหลุมในกึ่งตัวนำประเภท p จะเชื่อมโยงกับอะตอมของสิ่งเจือปนที่มีวาเลนซ์สามหนึ่งตัว

เราใช้คำว่า 'ในทางทฤษฎี' เพราะเราละเว้นการสร้างอิเล็กตรอนและหลุมโดยความร้อนในผลึก เมื่ออิเล็กตรอนเติมหลุม อะตอมของสิ่งเจือปนที่เชื่อมโยงกับหลุมนั้นจะกลายเป็นไอออนลบ

เนื่องจากมันมีอิเล็กตรอนเพิ่มเติม ขณะที่อะตอมของสิ่งเจือปนที่มีวาเลนซ์สามยอมรับอิเล็กตรอนและกลายเป็นประจุลบ สิ่งเจือปนนี้เรียกว่าสิ่งเจือปนแบบผู้รับ อะตอมของสิ่งเจือปนแทนที่จำนวนเท่าๆ กันของอะตอมของกึ่งตัวนำในผลึกและวางตัวเองในโครงสร้างผลึก

ดังนั้น อะตอมของสิ่งเจือปนจึงคงที่ในโครงสร้างผลึก เมื่ออะตอมของสิ่งเจือปนที่มีวาเลนซ์สามยอมรับอิเล็กตรอนเสรีและกลายเป็นไอออนลบ ไอออนเหล่านี้ยังคงคงที่ เช่นเดียวกัน เมื่อผลึกของกึ่งตัวนำถูกเจือด้วยสิ่งเจือปนที่มีวาเลนซ์ห้า แต่ละอะตอมของสิ่งเจือปนจะแทนที่อะตอมของกึ่งตัวนำในโครงสร้างผลึก ดังนั้น อะตอมของสิ่งเจือปนเหล่านี้จึงคงที่ในโครงสร้างผลึก

แต่ละอะตอมของสิ่งเจือปนที่มีวาเลนซ์ห้าในโครงสร้างผลึกมีอิเล็กตรอนเพิ่มเติมในวงโคจรชั้นนอกสุดที่สามารถกำจัดได้ง่ายเป็นอิเล็กตรอนเสรี เมื่อมันกำจัดอิเล็กตรอนนั้น มันจะกลายเป็นไอออนบวก

เนื่องจากอะตอมของสิ่งเจือปนที่มีวาเลนซ์ห้ามอบอิเล็กตรอนให้กับผลึกของกึ่งตัวนำ จึงเรียกว่าสิ่งเจือปนแบบผู้ให้ เราพูดถึงอะตอมของสิ่งเจือปนแบบผู้รับและผู้ให้ที่คงที่เพราะพวกมันมีบทบาทสำคัญในการสร้าง PN junction

เมื่อกึ่งตัวนำประเภท p มาสัมผัสกับกึ่งตัวนำประเภท n อิเล็กตรอนเสรีบนกึ่งตัวนำประเภท n ที่ใกล้กับจังหวะแรกจะย้ายไปยังกึ่งตัวนำประเภท p เนื่องจากการแพร่กระจาย เพราะความเข้มข้นของอิเล็กตรอนเสรีมากกว่าในบริเวณประเภท n มากกว่าประเภท p

อิเล็กตรอนที่มาถึงบริเวณ p จะรวมตัวกับหลุมที่พบก่อน อันหมายความว่า อิเล็กตรอนเสรีที่มาจากบริเวณประเภท n จะรวมตัวกับอะตอมของสิ่งเจือปนแบบผู้รับที่ใกล้กับจังหวะนี้ ปรากฏการณ์นี้ทำให้เกิดไอออนลบ

เมื่ออะตอมของสิ่งเจือปนแบบผู้รับที่ใกล้กับจังหวะในบริเวณประเภท p กลายเป็นไอออนลบ จะมีชั้นของไอออนลบคงที่ในบริเวณ p ที่อยู่ติดกับจังหวะ

อิเล็กตรอนเสรีในบริเวณประเภท n จะย้ายไปยังบริเวณประเภท p ก่อนที่อิเล็กตรอนเสรีในบริเวณประเภท n ที่อยู่ไกลจากจังหวะ ซึ่งทำให้เกิดชั้นของไอออนบวกคงที่ในบริเวณประเภท n ที่อยู่ติดกับจังหวะ

หลังจากที่ชั้นของไอออนบวกในบริเวณประเภท n และชั้นของไอออนลบในบริเวณประเภท p มีความหนาแน่นเพียงพอ จะไม่มีการแพร่กระจายของอิเล็กตรอนจากบริเวณประเภท n ไปยังบริเวณประเภท p อีกต่อไป เนื่องจากมีกำแพงลบอยู่ด้านหน้าของอิเล็กตรอนเสรี ทั้งสองชั้นของไอออนนี้สร้าง PN junction

เนื่องจากชั้นหนึ่งมีประจุลบและอีกชั้นมีประจุบวก แรงดันไฟฟ้าจะเกิดขึ้นที่จังหวะ ทำหน้าที่เป็นกำแพงศักยภาพ กำแพงศักยภาพนี้ขึ้นอยู่กับวัสดุกึ่งตัวนำ ระดับการเจือปน และอุณหภูมิ

พบว่ากำแพงศักยภาพสำหรับกึ่งตัวนำเจอร์เมเนียมคือ 0.3 โวลต์ที่ 25oC และสำหรับกึ่งตัวนำซิลิกอนคือ 0.7 โวลต์ที่อุณหภูมิเดียวกัน

กำแพงศักยภาพนี้ไม่มีอิเล็กตรอนเสรีหรือหลุม เนื่องจากอิเล็กตรอนเสรีทั้งหมดรวมตัวกับหลุมในบริเวณนี้ และเนื่องจากการสูญเสียพาหะประจุ (อิเล็กตรอนหรือหลุม) ในบริเวณนี้ จึงเรียกว่าบริเวณการสูญเสีย แม้ว่าการแพร่กระจายของอิเล็กตรอนและหลุมจะหยุดหลังจากสร้างชั้นการสูญเสียที่หนาแน่นพอ แต่ความหนาแน่นของชั้นการสูญเสียนี้มีขนาดเล็กมากอยู่ในช่วงไมโครเมตร