P-n átmenet

PN átmenet szemléltetése

Tértöltési zóna kialakulása a PN átmenet mentén

A p-n átmenet egy N-típusú félvezető és egy P-típusú félvezető találkozásánál alakul ki. Ilyenkor a szennyező atomok eloszlása megváltozik. A PN átmenet a két különböző adalékolású anyag határán jön létre, és csak néhány µm vastagságú. A két réteg érintkezésénél a töltéshordozók koncentrációkülönbsége miatt diffúzió indul meg.

A két félvezetőtípus

N-típus esetén a félvezető anyagát a gyártás során elektrontöbblettel rendelkező anyaggal adalékolják, ezért ott negatív töltésűvé válik (ezért hívjuk n-típusúnak). Ez szilícium esetén például foszfor (P) ami 5 vegyérték elektronnal rendelkezik. Ebből 4 vesz részt a kötésben az 5. pedig "szabad".

P-típus esetén a félvezetőt elektronhiánnyal rendelkező anyaggal adalékolják, így 'lyukak' alakulnak ki az anyag szerkezetében, melyek pozitív töltésnek tekinthetők. Például bór (B) melynek 3 elektronja tud létrehozni kötést, és a 4. helyen egy 'lyuk' keletkezik.

Legtöbbször ezt egy félvezető kristály különböző részeinek eltérő adalékolásával (akceptor vagy donor atomok) érik el. Ez az átmenet a két réteg határán alakul ki, és olyan érdekes tulajdonságokkal rendelkezik amelyek elektronikai alkalmazásokban hasznosak. Egy P vagy N-típusú félvezetőnek aránylag jó a vezetőképessége, azonban az átmeneti réteg nem vezet. Ezt a nem vezető réteget kiürülési tartománynak nevezik. Ez azért jön létre, mert a két réteg töltéshordozói (N-típusnál az elektronok, P-típusnál a lyukak) kölcsönhatásba léphetnek egymással és rekombinálódnak. Az elektron és a lyuk (elektronhiány) találkozásakor ilyen egyszerű esetben az elektron betölti a lyukat és mindkettő megszűnik. Ezen nem vezető réteg segítségével érdekes elektronikai alkalmazásokat lehet megvalósítani. Többségi töltéshordozónak az adalékolt anyagnak többségben részt vevő töltéshordozóit nevezzük (tehát N típus esetén ezek elektronok, míg P esetén a 'lyukak'). A kisebbségi töltéshordozók pedig, a másik csoport (N esetén 'lyukak', P esetén elektronok)

PN átmenetek felépítése és működése

Ha egy n és egy p típusú réteget rakunk egymás mellé, akkor az adalékoló atomok eloszlása megváltozik. A PN átmenet a két különböző adalékolású anyag határán jön létre, és csak néhány µm vastagságú. A két réteg érintkezésénél a töltéshordozók koncentrációkülönbsége miatt diffúzió indul meg.

A koncentráció különbség miatt a P oldalról az N oldalra megindul a részecskék vándorlása diffúziós áram , és középen, a tértöltési zónában rekombinálódnak. Miután a szabad töltések elvándoroltak, a helyhezkötött töltések egy E diffúziós potenciált hoznak létre. A kisebbségi töltéshordozók, pedig driftáramot hoznak létre a kiürített részbe való vándorlással. Ezután energia egyensúly alakul ki.

Kiürített réteg: először a PN átmenet közvetlen közelében lévő többségi töltéshordozók áramlanak a másik oldalra és rekombinálódnak. Ebből viszont az következik, h a PN átmenet két oldalán olyan réteg keletkezik, amelyből elfogytak a töltéshordozók. Ezt a réteget nevezzük kiürített rétegnek.

Az elektromos erőteret létrehozó tértöltési tartomány két oldalán kialakul egy belső potenciálgát, amit U_D diffúziós feszültségnek (kontaktpotenciálnak) nevezünk. A diffúziós potenciál a tértöltés PN átmenet mentén a p-oldalon negatív, az n-oldalon pozitív potenciált hoz létre. A két oldal közti teljes potenciálkülönbséget nevezzük diffúziós potenciálnak. Germániumnál az U_D= 0,1 – 0,2 V míg szilíciumnál U_D= 0,6 – 0,7 V

Az alkalmazások megértéséhez még két fogalmat szükséges érteni: nyitó irányú előfeszítés, záró irányú előfeszítés

Nyitó irányú előfeszítés

Azt nevezzük nyitó irányú előfeszítésnek, amikor a P-típusú részre pozitív, az N-típusú részre pedig negatív feszültséget kapcsolunk.

Így a P-típusú rétegben lévő lyukak és az N-típusú rétegben lévő elektronok a kiürülési réteg felé mozdulnak a taszító erő miatt, csökkentve ezzel a kiürülési tartomány vastagságát és csökkentve a potenciálgátat ami a kiürülési tartomány miatt jött létre. Az előfeszítést növelve (a feszültséget növelve) a kiürülési tartomány olyan vékonnyá válhat, hogy a töltéshordozók át tudnak menni rajta és így az összeállítás ellenálása nagyon lecsökken, megindul a töltésáramlás. (Ha az elektron átjut a kiürülési tartományon a P-típusú rétegbe, akkor ott nem rekombinálódik, hanem eljut a feszültségforrásig)

Záró irányú előfeszítés

Záró irányú előfeszítésről akkor beszélünk, ha a P-típusú részre negatív, az N-típusú részre pedig pozitív feszültséget kapcsolunk.

Ilyenkor a P-típusú tartomány töltéshordozói (lyukak) távolodnak a kiürülési rétegtől, hisz a negatív pólus vonzza őket, és hasonlóan távolodnak a kiürülési rétegtől az N-típusú tartomány töltéshordozói (elektronok) is. Így megnövekszik a kiürülési tartomány vastagsága (nyilvánvaló, hogy a záróirányú feszültség nagyságától függően változik a kiürülési réteg vastagsága), illetve nő az átmenetnél fellépő potenciálgát, így jelentősen nő az összeállítás elektromos ellenállása. Ha az előfeszítés elér egy kritikus értéket a p-n átmenet megszűnik (ezt a jelenséget letörésnek nevezik) és megindul a töltések áramlása.

Kapcsolódó szócikkek

• dióda