A p-n átmenet a modern elektronikában alapvető tulajdonságokkal rendelkezik. A p-adalékolt félvezető viszonylag vezetőképes. Ugyanez igaz az n-dotált félvezetőre is, de a köztük lévő átmenet a két félvezetőrégió relatív feszültségétől függően kimerülhet töltéshordozókban, és így nem vezetőképessé válhat. E nem vezető réteg manipulálásával a p-n átmeneteket általában diódaként használják: olyan áramköri elemek, amelyek az egyik irányba áramlást tesznek lehetővé, de a másik (ellentétes) irányba nem. Az előfeszítés a feszültség alkalmazása a p-n átmeneten; az előreirányú előfeszítés a könnyű áramáramlás irányába mutat, a hátrameneti előfeszítés pedig a kevés vagy semmilyen áramáramlás irányába.
A p-n átmenet előreirányú és hátrameneti előfeszítési tulajdonságai azt jelentik, hogy diódaként használható. A p-n átmenet dióda lehetővé teszi az elektromos töltések áramlását az egyik irányba, de az ellenkező irányba nem; a negatív töltések (elektronok) könnyen áramolhatnak az átmenetben n-ből p-be, de p-ből n-be nem, és ez fordítva igaz a lyukakra. Amikor a p-n átmenet előrefelé előfeszített, az elektromos töltés szabadon áramlik a p-n átmenet csökkentett ellenállása miatt. Ha azonban a p-n átmenet fordított előfeszítésű, az átmenet gátja (és ezért az ellenállás) nagyobb lesz, és a töltésáramlás minimális.
Egyensúlyi állapot (nulla előfeszítés)Edit
A p-n átmenetben külső alkalmazott feszültség nélkül olyan egyensúlyi állapot alakul ki, amelyben potenciálkülönbség alakul ki az átmenetben. Ezt a potenciálkülönbséget nevezzük beépített potenciálnak V b i {\displaystyle V_{\rm {bi}}}
.
Az átmenetben az n-típusú szabad elektronokat a p-típusú pozitív lyukak vonzzák. Ezek a p-típusba diffundálnak, egyesülnek a lyukakkal, és kioltják egymást. Hasonló módon a p-típusban lévő pozitív lyukakat vonzzák az n-típusban lévő szabad elektronok. A lyukak az n-típusba diffundálnak, egyesülnek a szabad elektronokkal, és kioltják egymást. A pozitív töltésű, donor, adalékanyag atomok az n-típusban a kristály részét képezik, és nem mozoghatnak. Így az n-típusban az átmenethez közeli régió pozitívan töltötté válik. A p-típusban a negatív töltésű, akceptor, adalékanyag atomok a kristály részét képezik, és nem mozoghatnak. Így a p-típusban az átmenethez közeli régió negatív töltésűvé válik. Az eredmény egy olyan régió az átmenet közelében, amely a mozgó töltéseket az átmenettől távolabb taszítja az elektromos téren keresztül, amelyet ezek a töltött régiók hoznak létre. A p-n határfelülethez közeli régiók elveszítik semlegességüket és mobil hordozóik nagy részét, kialakítva a tértöltéses régiót vagy kimerülési réteget (lásd az A ábrát).
A térkitöltésű terület által létrehozott elektromos tér mind az elektronok, mind a lyukak diffúziós folyamatával szemben áll. Két párhuzamos jelenség van: a diffúziós folyamat, amely hajlamos több tértöltést létrehozni, és a tértöltés által létrehozott elektromos tér, amely hajlamos a diffúzió ellen hatni. Az A ábrán kék és piros vonalakkal látható az egyensúlyi állapotbeli hordozó-koncentráció profilja. Szintén látható az egyensúlyt létrehozó két ellensúlyozó jelenség.
A térkitöltéses régió egy olyan zóna, amelynek nettó töltését a rögzített ionok (donorok vagy akceptorok) biztosítják, amelyeket a többségi hordozó diffúziója miatt fedetlenül hagytak. Az egyensúly elérésekor a töltéssűrűséget a megjelenített lépcsős függvénnyel közelítjük. Valójában, mivel az A. ábra y-tengelye logaritmikus skálájú, a terület szinte teljesen kiürül a többségi hordozókból (a nettó adalékolási szintnek megfelelő töltéssűrűség marad), és a térkitöltéses terület és a semleges terület közötti határ meglehetősen éles (lásd a B. ábra Q(x) grafikonját). A p-n határfelületek mindkét oldalán azonos nagyságú töltés van a térkitöltésű tartományban, ezért ebben a példában a kevésbé adalékolt oldalon (az A és B ábrán az n oldalon) messzebbre nyúlik.
Forward biasEdit
Forward biasban a p-típus a pozitív, az n-típus pedig a negatív pólussal van összekötve.
Egy ilyen módon kapcsolt akkumulátor esetén a p-típusú tartományban lévő lyukak és az n-típusú tartományban lévő elektronok az átmenet felé tolódnak, és elkezdik semlegesíteni a kiürítési zónát, csökkentve annak szélességét. A p-típusú anyagra alkalmazott pozitív potenciál taszítja a lyukakat, míg az n-típusú anyagra alkalmazott negatív potenciál az elektronokat. A p oldal és az n oldal közötti potenciálváltozás csökken, illetve előjelet vált. Az előfeszültség növelésével a fogyási zóna végül elég vékony lesz ahhoz, hogy a zóna elektromos tere ne tudja ellensúlyozni a töltéshordozók mozgását a p-n átmenetben, ami ennek következtében csökkenti az elektromos ellenállást. A p-n átmenetet a p-típusú anyagba átlépő elektronok (vagy az n-típusú anyagba átlépő lyukak) a közeli semleges tartományba diffundálnak. A közeli semleges zónákban a kisebbségi diffúzió mértéke határozza meg a diódán átfolyó áram mennyiségét.
A félvezetőn makroszkopikus hosszúságban csak a többségi hordozók (az n-típusú anyagban lévő elektronok vagy a p-típusú anyagban lévő lyukak) tudnak átfolyni. Ezt szem előtt tartva tekintsük az elektronok áramlását az átmeneten keresztül. Az előfeszítés olyan erőt fejt ki az elektronokra, amely az N oldalról a P oldal felé tolja őket. Előfeszítéssel a fogyatkozási tartomány elég keskeny ahhoz, hogy az elektronok át tudjanak haladni az átmeneten, és be tudjanak injektálódni a p-típusú anyagba. Azonban nem áramlanak tovább a végtelenségig a p-típusú anyagon keresztül, mert energetikailag kedvező számukra a lyukakkal való rekombináció. Azt az átlagos hosszúságot, amelyet egy elektron a rekombináció előtt a p-típusú anyagon keresztül megtesz, diffúziós hossznak nevezzük, és ez jellemzően mikrométeres nagyságrendű.
Noha az elektronok csak rövid ideig hatolnak be a p-típusú anyagba, az elektromos áram megszakítás nélkül folytatódik, mert a lyukak (a többségi hordozók) az ellenkező irányba kezdenek áramlani. A teljes áram (az elektron- és lyukáramok összege) a térben állandó, mert minden változás idővel töltésfelhalmozódást okozna (ez a Kirchhoff-féle áramtörvény). A lyukak áramlása a p-típusú tartományból az n-típusú tartományba pontosan analóg az elektronok áramlásával N-ből P-be (az elektronok és a lyukak szerepet cserélnek, és minden áram és feszültség előjele megfordul).
A diódán keresztül folyó áram makroszkopikus képe szerint tehát az elektronok az n-típusú tartományon keresztül áramlanak az átmenet felé, a lyukak a p-típusú tartományon keresztül az ellenkező irányba áramlanak az átmenet felé, és a két hordozófaj folyamatosan rekombinálódik az átmenet közelében. Az elektronok és a lyukak ellentétes irányban haladnak, de ellentétes töltéssel is rendelkeznek, így a teljes áram a dióda mindkét oldalán azonos irányú, ahogyan az szükséges.
A Shockley-diódaegyenlet egy p-n átmenet előfeszített működési jellemzőit modellezi a lavinás (fordított előfeszítésű vezető) tartományon kívül.
Fordított előfeszítésSzerkesztés
A p-típusú régiónak az akkumulátor negatív, az n-típusú régiónak pedig a pozitív pólushoz való csatlakoztatása megfelel a fordított előfeszítésnek. Ha egy dióda fordított előfeszítésű, a katódon a feszültség viszonylag nagyobb, mint az anódon. Ezért nagyon kevés áram folyik, amíg a dióda meg nem törik. Az összeköttetéseket a mellékelt ábra szemlélteti.
Mivel a p-típusú anyag most a tápegység negatív termináljához csatlakozik, a p-típusú anyagban lévő “lyukak” elhúzódnak az átmenetből, töltött ionokat hagyva maguk után, és a kimerülési tartomány szélességének növekedését okozva. Hasonlóképpen, mivel az n-típusú régió a pozitív terminálhoz van csatlakoztatva, az elektronok hasonló hatással húzódnak el az átmenetből. Ez növeli a feszültséggátat, ami nagy ellenállást okoz a töltéshordozók áramlásával szemben, így minimális elektromos áram haladhat át a p-n átmeneten. A p-n átmenet ellenállásának növekedése azt eredményezi, hogy az átmenet szigetelőként viselkedik.
A fordított előfeszítésű feszültség növekedésével nő a kimerülési zóna elektromos terének erőssége. Amint az elektromos mező erőssége egy kritikus szint fölé nő, a p-n-összeköttetés kimerülési zónája megbomlik, és áram kezd folyni, általában vagy a Zener-, vagy a lavinaszerű lebomlási folyamatok révén. Mindkét átesési folyamat roncsolásmentes és visszafordítható, amíg az áram mennyisége nem éri el azt a szintet, amely a félvezető anyag túlmelegedését és termikus károsodását okozza.
Ezt a hatást a Zener-diódás szabályozó áramkörökben előnyösen használják ki. A Zener-diódáknak alacsony az átütési feszültségük. Az átütési feszültség szabványos értéke például 5,6 V. Ez azt jelenti, hogy a katódon lévő feszültség nem lehet körülbelül 5,6 V-nál nagyobb, mint az anódon lévő feszültség (bár az árammal kis mértékben emelkedik), mert a dióda tönkremegy, és ezért vezet, ha a feszültség ennél nagyobb lesz. Ez tulajdonképpen korlátozza a dióda feletti feszültséget.
A fordított előfeszítés másik alkalmazása a Varicap-diódák, ahol a kimerülési zóna szélessége (a fordított előfeszítésű feszültséggel szabályozva) megváltoztatja a dióda kapacitását.
