Wprowadzenie do elektroniki/Półprzewodniki/Złącza

Złącze p-n

Złącze p-n ` Działanie większości elementów półprzewodnikowych opiera się na współdziałaniu złącza p-n i obszaru przelotowego (transportu), stanowiącego na ogół obszar półprzewodnika jednego rodzaju. Złącza umożliwiają wprowadzenie, odprowadzenie i sterowanie strumienia nośników ładunku.

Złącza mogą być następujące: metal – metal, półprzewodnik – półprzewodnik, dielektryk – dielektryk, metal – półprzewodnik oraz dielektryk – półprzewodnik. Najczęściej wykorzystywane są złącza metal – półprzewodnik i półprzewodnik – półprzewodnik.

Połączenie dwóch kryształów (monokryształów) ciała stałego (półprzewodnik, metal) w ten sposób, że tworzą one ścisły kontakt nazywamy złączem. Złącze p-n stanowi warstwę przejściową między obszarem półprzewodnika typu p i półprzewodnika typu n. Domieszka akceptorowa w obszarze typu p sprawia, że koncentracja dziur w tym obszarze jest większa niż elektronów – przewodnictwo dziurowe. Natomiast domieszka donorowa w obszarze typu n prowadzi do przewagi elektronów w tym obszarze – przewodnictwo elektronowe. Dziury w obszarze p i elektrony w obszarze n stanowią nośniki większościowe. Przed zetknięciem każdy z obszarów jest elektrycznie obojętny, ponieważ ładunek dziur i elektronów zostaje skompensowany ładunkiem jonów domieszki umieszczonych w węzłach siatki krystalicznej.

W momencie zetknięcia się półprzewodnika typu p i typu n, następuje wzajemny przepływ nośników. Różnica koncentracji nośników ładunku powoduje ich przemieszczanie – dyfuzję. Elektrony z obszaru przyzłączowego n dyfundują do obszaru p; podobnie postępują dziury z obszaru przyzłączowego p przechodzą do obszaru n. W wyniku procesu dyfuzji płyną prądy dyfuzyjne. Nośniki przedostające się do przeciwnych obszarów stają się nadmiarowymi nośnikami mniejszościowymi w tych obszarach. Nośniki te rekombinują z nośnikami większościowymi, które nie przeszły na drugą stronę złącza. W wyniku tego w obszarze n powstaje nadmiar ładunku jonów dodatnich, a w obszarze p nadmiar ładunku jonów ujemnych. Są to ładunki jonów ulokowanych (nieruchomych) w węzłach siatki krystalicznej. W obszarach przyzłączowych powstaje więc podwójna warstwa nieskompensowanych ładunków. Nazywa się ona warstwą zaporową, obszarem ładunku przestrzennego lub obszarem zubożonym, gdzie nie ma praktycznie nośników większościowych. Po utworzeniu takiej warstwy przepływ nośników większościowych zostaje zahamowany, gdyż ładunek przestrzenny dodatni po stronie n będzie hamował dalszy dopływ nośników (dziur) dodatnich z obszaru p do n oraz ładunek ujemny po stronie p będzie hamował dalszy dopływ nośników (elektronów) ujemnych z obszaru n do p. tworzy się pole elektryczne reprezentowane przez barierę potencjału. Wysokość bariery, a więc różnica potencjałów, nazywana napięciem dyfuzyjnym.