De P-N Junction

Als een blok P-type halfgeleider in contact wordt gebracht met een blok N-type halfgeleider in onderstaande figuur (a), heeft het resultaat geen waarde. We hebben twee geleidende blokken die met elkaar in contact staan ​​en geen unieke eigenschappen vertonen. Het probleem is twee afzonderlijke en verschillende kristallichamen. Het aantal elektronen wordt gecompenseerd door het aantal protonen in beide blokken. Geen van beide blokken heeft dus netto kosten.

Een enkel halfgeleiderkristal vervaardigd met materiaal van het P-type aan het ene uiteinde en materiaal van het N-type aan het andere in het onderstaande figuur (b) heeft echter enkele unieke eigenschappen. Het P-type materiaal heeft positieve meerderheidsladingsdragers, gaten, die vrij kunnen bewegen over het kristalrooster. Het N-type materiaal heeft mobiele negatieve meerderheidsdragers, elektronen. Nabij de junctie diffunderen de elektronen van het N-type materiaal over de junctie, gecombineerd met gaten in P-type materiaal. Het gebied van het P-type materiaal nabij de junctie krijgt een netto negatieve lading vanwege de aangetrokken elektronen. Omdat elektronen het N-type gebied verlaten, neemt het een gelokaliseerde positieve lading aan. De dunne laag van het kristalrooster tussen deze ladingen heeft geen meerderheidsdragers meer en staat daarom bekend als het depletiegebied . Het wordt niet-geleidend intrinsiek halfgeleidermateriaal. In feite hebben we bijna een isolator die de geleidende P- en N-gedoteerde gebieden scheidt.

(a) Blokken van P- en N-halfgeleiders in contact hebben geen exploiteerbare eigenschappen. (b) Eenkristal gedoteerd met P- en N-type onzuiverheden ontwikkelt een potentiële barrière.

Deze scheiding van ladingen op de PN-overgang vormt een potentiële barrière. Deze potentiële barrière moet worden overwonnen door een externe spanningsbron om de junctie te laten geleiden. De vorming van de kruising en de potentiële barrière gebeurt tijdens het productieproces. De grootte van de potentiële barrière is een functie van de materialen die bij de productie worden gebruikt. Silicium PN-overgangen hebben een hogere potentiaalbarrière dan germaniumovergangen.

PN Junction Bias

In figuur hieronder (a) is de batterij zo gerangschikt dat de negatieve pool elektronen levert aan het N-type materiaal. Deze elektronen diffunderen naar de junctie. De positieve pool verwijdert elektronen uit de P-type halfgeleider, waardoor gaten ontstaan ​​die naar de junctie diffunderen. Als de batterijspanning groot genoeg is om de junctiepotentiaal te overwinnen (0,6 V in Si), combineren de N-type elektronen en P-gaten elkaar en vernietigen ze elkaar. Dit maakt ruimte binnen het rooster vrij zodat meer dragers naar de kruising kunnen stromen. Dus stromen van N-type en P-type meerderheidsdragers stromen naar de kruising. Door de recombinatie op de junctie kan de batterijstroom door de PN-junctiediode stromen. Zo'n kruising wordt forward-biased genoemd .

(a) Voorwaartse batterijvoorspanning stoot dragers af in de richting van de kruising, waar recombinatie resulteert in batterijstroom. (b) Omgekeerde batterijvoorspanning trekt dragers naar batterijpolen, weg van de kruising. De dikte van het uitputtingsgebied neemt toe. Geen aanhoudende batterijstroom.

Als de polariteit van de batterij wordt omgekeerd, zoals in afbeelding hierboven (b), worden meerderheidsdragers weggetrokken van de kruising naar de batterijterminals. De positieve accupool trekt N-type meerderheidsdragers, elektronen, weg van de junctie. De negatieve pool trekt P-type meerderheidsdragers, gaten, weg van de kruising. Dit vergroot de dikte van het niet-geleidende uitputtingsgebied. Er is geen recombinatie van meerderheidsvervoerders; dus geen geleiding. Deze rangschikking van batterijpolariteit wordt reverse bias genoemd .

Diode

Het schematische diodesymbool wordt geïllustreerd in het onderstaande figuur (b) dat overeenkomt met de gedoteerde halfgeleiderbalk bij (a). De diode is een unidirectionele apparaat. Stroom stroomt slechts in één richting, naast de pijl, wat overeenkomt met voorwaartse bias. De kathode, staaf, van het diodesymbool komt overeen met de N-type halfgeleider. De anode, pijl, komt overeen met de halfgeleider van het P-type. Om deze relatie te onthouden, N ot-wijzend (streepje) op het symbool komt overeen met N -type halfgeleider. P zalf (pijl) komt overeen met P -type.

(a) Voorwaarts voorgespannen PN-overgang, (b) Overeenkomstig schematisch diodesymbool (c) Siliciumdiode I vs V karakteristieke curve.

Als een diode voorwaarts is voorgespannen zoals in afbeelding hierboven (a), zal de stroom iets toenemen naarmate de spanning wordt verhoogd vanaf 0 V. In het geval van een siliciumdiode vloeit er een meetbare stroom wanneer de spanning 0,6 V nadert in afbeelding hierboven (c ). Naarmate de spanning hoger wordt dan 0,6 V, neemt de stroom aanzienlijk toe na de knie. Het verhogen van de spanning tot ver boven 0,7 V kan resulteren in een stroom die hoog genoeg is om de diode te vernietigen. De voorwaartse spanning, VF, is een kenmerk van de halfgeleider:0,6 tot 0,7 V voor silicium, 0,2 V voor germanium, een paar volt voor Light Emitting Diodes (LED). De voorwaartse stroom varieert van enkele mA voor puntcontactdiodes tot 100 mA voor kleine signaaldiodes tot tientallen of duizenden ampères voor vermogensdiodes.

Als de diode in tegengestelde richting is voorgespannen, vloeit alleen de lekstroom van de intrinsieke halfgeleider. Dit is links van de oorsprong uitgezet in figuur hierboven (c). Deze stroom zal slechts 1 µA bedragen voor de meest extreme omstandigheden voor silicium kleine signaaldiodes. Deze stroom neemt niet merkbaar toe met toenemende spervoorspanning totdat de diode kapot gaat. Bij de doorslag neemt de stroom zo sterk toe dat de diode zal worden vernietigd, tenzij een hoge serieweerstand de stroom beperkt. Om dit te voorkomen, selecteren we normaal gesproken een diode met een hogere sperspanning dan elke toegepaste spanning. Siliciumdiodes zijn doorgaans verkrijgbaar met omgekeerde afbraakwaarden van 50, 100, 200, 400, 800 V en hoger. Het is mogelijk om diodes te fabriceren met een lagere nominale waarde van enkele volts voor gebruik als spanningsnormen.

We hebben eerder vermeld dat de omgekeerde lekstroom van minder dan een A voor siliciumdiodes te wijten was aan de geleiding van de intrinsieke halfgeleider. Dit is de lekkage die theoretisch kan worden verklaard. Thermische energie produceert weinig elektron-gatparen, die lekstroom geleiden tot recombinatie. In de praktijk is deze voorspelbare stroom slechts een deel van de lekstroom. Een groot deel van de lekstroom is te wijten aan oppervlaktegeleiding, gerelateerd aan het gebrek aan reinheid van het halfgeleideroppervlak. Beide lekstromen nemen toe met toenemende temperatuur en benaderen een µA voor kleine siliciumdiodes.

Voor germanium is de lekstroom ordes van grootte hoger. Aangezien germaniumhalfgeleiders tegenwoordig nog maar zelden worden gebruikt, is dit in de praktijk geen probleem.

BEOORDELING:

• PN-overgangen zijn vervaardigd uit een monokristallijn stuk halfgeleider met zowel een P-type als een N-type gebied in de nabijheid van een knooppunt.
• De overdracht van elektronen van de N-zijde van de junctie naar gaten die aan de P-zijde van de junctie zijn vernietigd, produceert een barrièrespanning. Dit is 0,6 tot 0,7 V in silicium en varieert met andere halfgeleiders.
• Een voorwaarts voorgespannen PN-overgang geleidt een stroom zodra de barrièrespanning is overwonnen. De extern aangelegde potentiaal dwingt meerderheidsdragers naar de kruising waar recombinatie plaatsvindt, waardoor de stroom kan stromen.
• Een omgekeerd voorgespannen PN-overgang geleidt bijna geen stroom. De toegepaste omgekeerde voorspanning trekt meerderheidsdragers weg van de kruising. Dit vergroot de dikte van het niet-geleidende uitputtingsgebied.
• Omgekeerde voorgespannen PN-overgangen vertonen een temperatuurafhankelijke omgekeerde lekstroom. Dit is minder dan een µA in kleine siliciumdiodes.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad PN-knooppunten
• Elektrische geleiding in halfgeleiders werkblad