P-n-liitoksella on nykyaikaisen elektroniikan kannalta olennaisia ominaisuuksia. P-dopioitu puolijohde on suhteellisen johtava. Sama pätee n-dopediseen puolijohteeseen, mutta niiden välinen liitos voi tyhjentyä varauksenkuljettajista ja siten olla johtamaton riippuen näiden kahden puolijohdealueen suhteellisista jännitteistä. Tätä ei-johtavaa kerrosta manipuloimalla p-n-liitoksia käytetään yleisesti diodeina: piirielementteinä, jotka sallivat sähkön virtauksen yhteen suuntaan mutta eivät toiseen (vastakkaiseen) suuntaan. Eteenpäin suuntautuva suuntaus on suunta, jossa virran kulku on helppoa, ja taaksepäin suuntautuva suuntaus on suunta, jossa virran kulku on vähäistä tai sitä ei ole lainkaan.
P-n-liitoksen eteen- ja taaksepäin suuntautuvan suuntauksen ominaisuudet tarkoittavat, että sitä voidaan käyttää diodina. P-n-liitoksen diodi sallii sähkövarausten virtaamisen yhteen suuntaan, mutta ei vastakkaiseen suuntaan; negatiiviset varaukset (elektronit) voivat helposti virrata liitoksen läpi n:stä p:hen, mutta eivät p:stä n:ään, ja päinvastoin reiät. Kun p-n-liitäntä on eteenpäin suunnattu, sähkövaraus virtaa vapaasti p-n-liitännän pienentyneen resistanssin vuoksi. Kun p-n-liitäntä on kuitenkin käänteisesti jännitetty, liitoseste (ja siten resistanssi) kasvaa ja varauksen virtaus on minimaalista.
Tasapainotila (nollavoimakkuus)Edit
P-n-liitoksessa ilman ulkoista jännitettä saavutetaan tasapainotila, jossa potentiaaliero muodostuu liitoksen yli. Tätä potentiaalieroa kutsutaan sisäänrakennetuksi potentiaaliksi V b i {\displaystyle V_{{\rm {bi}}}
.
Liitoksessa n-tyypin vapaat elektronit vetävät puoleensa p-tyypin positiivisia reikiä. Ne diffundoituvat p-tyyppiin, yhdistyvät reikien kanssa ja kumoavat toisensa. Samalla tavalla p-tyypin positiiviset reiät vetävät puoleensa n-tyypin vapaita elektroneja. Reiät diffundoituvat n-tyyppiin, yhdistyvät vapaiden elektronien kanssa ja kumoavat toisensa. Positiivisesti varautuneet n-tyypin donori- ja dopanttiatomit ovat osa kiderakennetta, eivätkä ne voi liikkua. Näin ollen n-tyypissä risteyksen lähellä olevasta alueesta tulee positiivisesti varautunut. P-tyypin negatiivisesti varautuneet, akseptori- ja dopanttiatomit ovat osa kristallia, eivätkä ne voi liikkua. Näin ollen p-tyypissä alue lähellä liitosta varautuu negatiivisesti. Tuloksena on alue lähellä liitosta, joka hylkii liikkuvat varaukset pois liitoksesta sähkökentän avulla, jonka nämä varatut alueet luovat. Alueet lähellä p-n-liitäntää menettävät neutraaliutensa ja suurimman osan liikkuvista kantajistaan muodostaen avaruusvarausalueen eli tyhjennyskerroksen (ks. kuva A).
Tilavarausalueen luoma sähkökenttä vastustaa sekä elektronien että reikien diffuusioprosessia. On olemassa kaksi samanaikaista ilmiötä: diffuusioprosessi, jolla on taipumus synnyttää lisää avaruusvarausta, ja avaruusvarauksen synnyttämä sähkökenttä, jolla on taipumus vastustaa diffuusiota. Kuljettajakonsentraatioprofiili tasapainotilanteessa on esitetty kuvassa A sinisillä ja punaisilla viivoilla. Kuvassa näkyvät myös kaksi tasapainoa aikaansaavaa vastakkaista ilmiötä.
Tilavarausalue on vyöhyke, jonka nettovarauksen tarjoavat kiinteät ionit (donorit tai akseptorit), jotka ovat jääneet peittämättä enemmistökantajien diffuusion vuoksi. Kun tasapaino on saavutettu, varaustiheyttä approksimoidaan esitetyllä porrasfunktiolla. Itse asiassa, koska kuvan A y-akseli on log-asteikollinen, alue on lähes täysin tyhjentynyt enemmistökantajista (jolloin varaustiheys on yhtä suuri kuin nettodoping-taso), ja avaruusvarausalueen ja neutraalin alueen välinen reuna on melko jyrkkä (ks. kuva B, Q(x)-kuvaaja). Tilavarausalueella on sama varauksen suuruus p-n-rajapinnan molemmilla puolilla, joten se ulottuu tässä esimerkissä pidemmälle vähemmän seostetulle puolelle (n-puoli kuvissa A ja B).
Forward biasEdit
Forward biasissa p-tyyppi on kytketty positiiviseen päätelaitteeseen ja n-tyyppi on kytketty negatiiviseen päätelaitteeseen.
Kun akku on kytketty tällä tavoin, p-tyypin alueen reiät ja n-tyypin alueen elektronit työntyvät kohti liittymää ja alkavat neutralisoida tyhjentymisvyöhykettä, jolloin sen leveys pienenee. P-tyypin materiaaliin kohdistuva positiivinen potentiaali hylkii reikiä, kun taas n-tyypin materiaaliin kohdistuva negatiivinen potentiaali hylkii elektroneja. Potentiaalin muutos p-puolen ja n-puolen välillä pienenee tai vaihtaa merkkiä. Eteenpäin suuntautuvan jännitteen kasvaessa tyhjennysvyöhyke muuttuu lopulta niin ohueksi, että vyöhykkeen sähkökenttä ei pysty vastustamaan varauksenkantajien liikettä p-n-liitoksen yli, mikä vähentää sähköistä resistanssia. Elektronit, jotka ylittävät p-n-liitoksen p-tyypin materiaaliin (tai reiät, jotka ylittävät n-tyypin materiaaliin), diffundoituvat läheiselle neutraalialueelle. Vähemmistöjen diffuusion määrä lähellä neutraalia aluetta määrittää virran määrän, joka voi virrata diodin läpi.
Vain enemmistökantajat (elektronit n-tyypin materiaalissa tai reiät p-tyypin materiaalissa) voivat virrata puolijohteen läpi makroskooppisen pituuden ajan. Tarkastellaan tätä silmällä pitäen elektronien virtausta liitoksen yli. Eteenpäin suuntautuva bias aiheuttaa elektroniin voiman, joka työntää niitä N-puolelta kohti P-puolta. Eteenpäin suuntautuvalla biasilla tyhjenemisalue on riittävän kapea, jotta elektronit voivat ylittää liitoksen ja ruiskuttaa p-tyypin materiaaliin. Ne eivät kuitenkaan jatka virtaamista p-tyypin materiaalin läpi loputtomiin, koska niiden on energeettisesti suotuisaa yhdistyä uudelleen reikien kanssa. Keskimääräistä pituutta, jonka elektroni kulkee p-tyypin materiaalin läpi ennen rekombinoitumistaan, kutsutaan diffuusiopituudeksi, ja se on tyypillisesti mikrometrien luokkaa.
Vaikka elektronit tunkeutuvat vain lyhyen matkan p-tyypin materiaaliin, sähkövirta jatkuu keskeytyksettä, koska reiät (enemmistökantajat) alkavat virrata vastakkaiseen suuntaan. Kokonaisvirta (elektroni- ja reikävirtojen summa) on avaruudessa vakio, koska kaikki vaihtelu aiheuttaisi varauksen kertymisen ajan kuluessa (tämä on Kirchhoffin virtalaki). Reikien virtaus p-tyypin alueelta n-tyypin alueelle on täsmälleen samanlainen kuin elektronien virtaus N:stä P:hen (elektronit ja reiät vaihtavat rooleja, ja kaikkien virtojen ja jännitteiden merkit kääntyvät päinvastaisiksi).
Makroskooppiseen kuvaan diodin läpi kulkevasta virrasta kuuluu siis se, että n-tyypin alueen läpi kulkevat elektronit virtaavat kohti liityntää, että reiät kulkevat vastakkaiseen suuntaan p-tyypin alueen läpi kohti liityntää, ja että nämä kaksi kantoaaltotavaratyyppejä yhdentyvät koko ajan uudestaan liitynnän läheisyydessä. Elektronit ja reiät kulkevat vastakkaisiin suuntiin, mutta niillä on myös vastakkaiset varaukset, joten kokonaisvirta on vaaditulla tavalla samansuuntainen diodin molemmilla puolilla.
Shockleyn diodin yhtälö mallintaa p-n-liitoksen eteenpäin suuntautuvat toimintaominaisuudet lumivyöryalueen (käänteisjännitteisesti johtavan) ulkopuolella.
Reverse biasEdit
Kytkeminen p-tyypin alue akun negatiiviseen napaan ja n-tyypin alue positiiviseen napaan vastaa käänteistä biasia. Jos diodi on käänteisesti viritetty, jännite katodilla on verrattain suurempi kuin anodilla. Siksi virtaa hyvin vähän virtaa, kunnes diodi hajoaa. Kytkennät on esitetty viereisessä kaaviossa.
Koska p-tyypin materiaali on nyt kytketty virtalähteen negatiiviseen napaan, p-tyypin materiaalin ”reiät” vetäytyvät pois liitoskohdasta jättäen jälkeensä varattuja ioneja ja aiheuttaen heikkenemisalueen leveyden kasvun. Vastaavasti, koska n-tyypin alue on kytketty positiiviseen napaan, elektronit vedetään pois liitoksesta, millä on samanlainen vaikutus. Tämä kasvattaa jännite-estettä, joka aiheuttaa suuren vastuksen varauksenkuljettajien virtaukselle, jolloin p-n-liitoksen läpi kulkee minimaalinen sähkövirta. P-n-liitoksen resistanssin kasvu johtaa siihen, että liitos käyttäytyy eristeenä.
Vähennysvyöhykkeen sähkökentän voimakkuus kasvaa, kun käänteisjännite kasvaa. Kun sähkökentän voimakkuus kasvaa yli kriittisen tason, p-n-liitoksen heikkenemisvyöhyke hajoaa ja virta alkaa kulkea, yleensä joko Zenerin tai lumivyöryn hajoamisprosessin kautta. Molemmat näistä hajoamisprosesseista ovat tuhoamattomia ja palautuvia, kunhan virran määrä ei nouse tasolle, joka aiheuttaa puolijohdemateriaalin ylikuumenemisen ja lämpövaurion.
Efektiä hyödynnetään Zener-diodin säätöpiireissä. Zener-diodien läpilyöntijännite on alhainen. Läpilyöntijännitteen vakioarvo on esimerkiksi 5,6 V. Tämä tarkoittaa, että jännite katodilla voi olla enintään noin 5,6 V korkeampi kuin jännite anodilla (vaikka virran myötä jännite hieman nouseekin), koska diodi hajoaa ja siten johtaa, jos jännite nousee yhtään korkeammaksi. Tämä käytännössä rajoittaa diodin yli menevää jännitettä.
Toinen käänteisen biasoinnin sovellus on Varicap-diodit, joissa tyhjennysvyöhykkeen leveys (jota ohjataan käänteisellä biasjännitteellä) muuttaa diodin kapasitanssia.
