Що таке PN-перехід?

Що таке PN-перехід?

Визначення PN-переходу

PN-перехід визначається як інтерфейс між p-типом та n-типом напівпровідникових матеріалів в одному кристалі.

Створення PN-переходу

Розглянемо, як створюється цей pn-перехід. У напівпровіднику p-типу є багато дір, а у напівпровіднику n-типу — багато вільних електронів.

Знову ж таки, у напівпровіднику p-типу є велика кількість тривалентних примісних атомів, і, ідеально, кожна діра в напівпровіднику p-типу пов'язана з одним тривалентним примісним атомом.

Ми використовуємо слово "ідеально", оскільки нехтуємо термічно генерованими електронами і дірами в кристалі. Коли електрон заповнює діру, примісний атом, пов'язаний з цією дірою, стає від'ємним іоном.

Це тому, що зараз він містить надлишковий електрон. Оскільки тривалентні примісні атоми приймають електрони і стають зарядженими від'ємно, примісь називається акцепторною. Примісні атоми замінюють рівну кількість атомів напівпровідника в кристалі і розташовуються в кристалічній структурі.

Таким чином, примісні атоми стають статичними в кристалічній структурі. Коли ці тривалентні примісні атоми приймають вільні електрони і стають від'ємними іонами, іони залишаються нерухомими. Аналогічно, коли кристал напівпровідника доповнюється п'ятивалентною примісю, кожен атом примісі замінює атом напівпровідника в кристалічній структурі; таким чином, ці примісні атоми стають статичними в кристалічній структурі.

Кожен п'ятивалентний примісний атом в кристалічній структурі має один надлишковий електрон на зовнішній орбіті, який може легко відокремитися як вільний електрон. Коли він відокремлює цей електрон, він стає додатньо зарядженим іоном.

Оскільки п'ятивалентні примісні атоми додають електрони до кристалу напівпровідника, вони називаються донорними примісями. Ми обговорюємо статичні акцепторні та донорні примісні атоми, оскільки вони відіграють ключову роль у формуванні PN-переходу.

Розглянемо момент, коли напівпровідник p-типу дотикається до напівпровідника n-типу, вільні електрони на n-типі напівпровідника, ближчі до переходу, спочатку мігрують до напівпровідника p-типу через дифузію, оскільки концентрація вільних електронів значно вища в області n-типу, ніж в області p-типу.

Електрони, які потрапляють до області p, поєднуються з першими знайденими дірами. Це означає, що вільні електрони, які прийшли з області n-типу, поєднуються з акцепторними примісними атомами, ближчими до переходу. Цей процес створює від'ємні іони.

Оскільки акцепторні примісні атоми, ближчі до переходу в області p-типу, стають від'ємними іонами, у області p, прилеглій до переходу, буде шар від'ємних статичних іонів.

Вільні електрони в області n-типу спочатку переміщуються до області p-типу, ніж вільні електрони в області n-типу, віддалені від переходу. Це створює шар статичних додатних іонів в області n-типу, прилеглій до переходу.

Після формування достатньо товстого шару додатних іонів в області n-типу та від'ємних іонів в області p-типу, немає більше дифузії електронів з області n-типу до області p-типу, оскільки перед вільними електронами є від'ємна стіна. Обидва ці шари іонів формують PN-перехід.

Оскільки один шар заряджений від'ємно, а інший — додатно, утворюється електричний потенціал через переход, що діє як потенціальний бар'єр. Цей бар'єрний потенціал залежить від матеріалу напівпровідника, рівня легування та температури.

Виявлено, що бар'єрний потенціал для напівпровідника германію становить 0,3 вольта при 25°C, а для напівпровідника кремнію — 0,7 вольта при тій же температурі.

Цей потенціальний бар'єр не містить вільних електронів або дір, оскільки всі вільні електрони поєднуються з дірами в цій області, і через виснаження носіїв заряду (електронів або дір) в цій області, вона також називається областю виснаження. Хоча дифузія вільних електронів і дір зупиняється після створення певного товстого шару виснаження, практично товщина цього шару виснаження дуже мала, вона знаходиться в діапазоні мікрометрів.