P-n-forbindelsen har vigtige egenskaber for moderne elektronik. En p-doteret halvleder er relativt ledende. Det samme gælder for en n-doped halvleder, men overgangen mellem dem kan blive tømt for ladningsbærere og dermed ikke-leder, afhængigt af de relative spændinger i de to halvlederområder. Ved at manipulere dette ikke-ledende lag anvendes p-n-forbindelser almindeligvis som dioder: kredsløbselementer, der tillader en strøm af elektricitet i den ene retning, men ikke i den anden (modsatte) retning. Forspænding er påføring af en spænding på tværs af et p-n-forbindelsepunkt; fremadrettet forspænding er i retning af let strømgennemstrømning, og omvendt forspænding er i retning af ringe eller ingen strømgennemstrømning.
Den fremadrettede forspænding og den omvendte forspændings egenskaber ved p-n-forbindelsen indebærer, at den kan anvendes som en diode. En p-n-forbindelsesdiode tillader elektriske ladninger at strømme i den ene retning, men ikke i den modsatte retning; negative ladninger (elektroner) kan let strømme gennem forbindelsen fra n til p, men ikke fra p til n, og det omvendte gælder for huller. Når p-n-forbindelsen er forward-biased, kan elektrisk ladning flyde frit på grund af den reducerede modstand i p-n-forbindelsen. Når p-n-forbindelsen er omvendt polariseret, bliver forbindelsesbarrieren (og dermed modstanden) imidlertid større, og ladningsstrømmen er minimal.
Ligevægt (nulforspænding)Edit
I en p-n-forbindelse, uden en ekstern påført spænding, opnås en ligevægtstilstand, hvor der dannes en potentialforskel over forbindelsen. Denne potentialforskel kaldes indbygget potentiale V b i {\displaystyle V_{\rm {bi}}}
.
På krydset tiltrækkes de frie elektroner i n-typen af de positive huller i p-typen. De diffunderer ind i p-typen, kombineres med hullerne og ophæver hinanden. På samme måde tiltrækkes de positive huller i p-typen af de frie elektroner i n-typen. Hullerne diffunderer ind i n-typen, kombinerer sig med de frie elektroner og udligner hinanden. De positivt ladede, donor-dopingatomer i n-typen er en del af krystallen og kan ikke bevæge sig. I n-typen bliver et område nær krydset således positivt ladet. De negativt ladede, acceptor-dopingatomer i p-typen er en del af krystallen og kan ikke bevæge sig. I p-typen bliver et område nær krydset således negativt ladet. Resultatet er et område i nærheden af krydset, der virker afvisende på de mobile ladninger væk fra krydset gennem det elektriske felt, som disse ladede områder skaber. Områderne nær p-n-grænsefladen mister deres neutralitet og de fleste af deres mobile ladninger og danner rumladningsområdet eller depletionlaget (se figur A).
Det elektriske felt, der skabes af rumladningsområdet, modvirker diffusionsprocessen for både elektroner og huller. Der er to samtidige fænomener: diffusionsprocessen, der har en tendens til at generere mere rumladning, og det elektriske felt, der genereres af rumladningen, som har en tendens til at modvirke diffusionen. Carrierkoncentrationsprofilen ved ligevægt er vist i figur A med blå og røde linjer. Ligeledes er vist de to modstridende fænomener, der skaber ligevægt.
Rumladningsområdet er en zone med en nettoladning, der leveres af de faste ioner (donorer eller acceptorer), som er blevet efterladt utildækket af majoritetsbærerdiffusion. Når der er opnået ligevægt, tilnærmes ladningstætheden ved den viste trinfunktion. Da y-aksen i figur A er log-skala, er området faktisk næsten helt tømt for majoritetsladningsbærere (hvilket efterlader en ladningstæthed svarende til nettodoseringsniveauet), og grænsen mellem rumladningsområdet og det neutrale område er ret skarp (se figur B, Q(x)-grafen). Rumladningsområdet har samme ladningsstørrelse på begge sider af p-n-grænsefladerne, og det strækker sig derfor længere ud på den mindre doterede side i dette eksempel (n-siden i figur A og B).
Forward biasRediger
I forward bias er p-typen forbundet med den positive terminal, og n-typen er forbundet med den negative terminal.
Med et batteri tilsluttet på denne måde skubbes hullerne i p-type-regionen og elektronerne i n-type-regionen mod krydset og begynder at neutralisere depletionszonen, hvilket reducerer dens bredde. Det positive potentiale, der påføres p-type materialet, frastøder hullerne, mens det negative potentiale, der påføres n-type materialet, frastøder elektronerne. Ændringen i potentialet mellem p-siden og n-siden falder eller skifter fortegn. Med stigende forward-bias-spænding bliver udtyndingszonen til sidst tynd nok til, at zonens elektriske felt ikke kan modvirke ladningsbærernes bevægelse over p-n-forbindelsen, hvilket som følge heraf reducerer den elektriske modstand. Elektroner, der krydser p-n-forbindelsen ind i p-type materialet (eller huller, der krydser ind i n-type materialet), diffunderer ind i det nærliggende neutrale område. Mængden af minoritetsdiffusion i de nær-neutrale zoner bestemmer den mængde strøm, der kan strømme gennem dioden.
Kun majoritetsbærere (elektroner i n-type materiale eller huller i p-type materiale) kan strømme gennem en halvleder i en makroskopisk længde. Med dette in mente kan man betragte elektronernes strøm gennem krydset. Den fremadrettede forspænding forårsager en kraft på elektronerne, der skubber dem fra N-siden mod P-siden. Med forward bias er depletionområdet smalt nok til, at elektronerne kan krydse krydset og injicere ind i p-type materialet. De fortsætter dog ikke med at strømme gennem p-materialet i det uendelige, fordi det er energimæssigt gunstigt for dem at rekombineres med huller. Den gennemsnitlige længde, som en elektron tilbagelægger gennem p-type materialet, før den rekombinerer, kaldes diffusionslængden, og den er typisk i størrelsesordenen mikrometer.
Og selv om elektronerne kun trænger et kort stykke ind i p-type materialet, fortsætter den elektriske strøm uafbrudt, fordi huller (majoritetsbærerne) begynder at strømme i den modsatte retning. Den samlede strøm (summen af elektron- og hulstrømmene) er konstant i rummet, fordi enhver variation ville medføre ophobning af ladning over tid (dette er Kirchhoff’s strømlov). Strømmen af huller fra p-type området til n-type området er nøjagtig analog med strømmen af elektroner fra N til P (elektroner og huller bytter roller, og fortegnene for alle strømme og spændinger er omvendt).
Det makroskopiske billede af strømmen gennem dioden indebærer derfor, at elektroner strømmer gennem n-type området mod krydset, at huller strømmer gennem p-type området i modsat retning mod krydset, og at de to arter af bærere konstant rekombinerer i nærheden af krydset. Elektronerne og hullerne bevæger sig i modsatte retninger, men de har også modsatte ladninger, så den samlede strøm er i samme retning på begge sider af dioden, som det er påkrævet.
Shockley-diode-ligningen modellerer de operationelle egenskaber ved fremadrettet spænding for et p-n-forbindelsesled uden for lavineområdet (omvendt spændt ledende område).
Omvendt forspændingRediger
At forbinde p-type området til batteriets negative pol og n-type området til den positive pol svarer til omvendt forspænding. Hvis en diode er omvendt forspændt, er spændingen ved katoden forholdsvis højere end ved anoden. Derfor flyder der meget lidt strøm, indtil dioden går i stykker. Forbindelserne er illustreret i diagrammet ved siden af.
Da p-type-materialet nu er forbundet med strømforsyningens negative terminal, trækkes “hullerne” i p-type-materialet væk fra krydset, hvorved der efterlades ladede ioner, og bredden af depletionområdet øges. Da n-typeområdet er forbundet med den positive terminal, trækkes elektronerne ligeledes væk fra krydset, hvilket har samme virkning. Dette øger spændingsbarrieren, hvilket medfører en høj modstand mod strømmen af ladningsbærere og dermed tillader minimal elektrisk strøm at krydse p-n-forbindelsen. Stigningen i p-n-forbindelsens modstand resulterer i, at forbindelsen opfører sig som en isolator.
Styrken af det elektriske felt i depletionszonen øges, efterhånden som spændingen i omvendt forspænding øges. Når intensiteten af det elektriske felt stiger over et kritisk niveau, bryder p-n-forsamlingsudtyndingszonen sammen, og strømmen begynder at flyde, normalt ved enten Zener- eller lavine-nedbrydningsprocessen. Begge disse nedbrydningsprocesser er ikke-destruktive og er reversible, så længe strømmen ikke når et niveau, der medfører, at halvledermaterialet overophedes og forårsager termisk skade.
Denne effekt udnyttes med fordel i Zener-diode-regulatorkredsløb. Zenerdioder har en lav nedbrydningsspænding. En standardværdi for nedbrydningsspænding er f.eks. 5,6 V. Det betyder, at spændingen ved katoden ikke kan være mere end ca. 5,6 V højere end spændingen ved anoden (selv om der er en lille stigning med strømmen), fordi dioden bryder sammen og dermed leder, hvis spændingen bliver højere. Dette begrænser i realiteten spændingen over dioden.
En anden anvendelse af reverse biasing er Varicap dioder, hvor bredden af depletionzonen (styret med den reverse bias-spænding) ændrer diodens kapacitet.
