p-n junctie

Afbeelding siliciumatomen (Si) ongeveer 45.000.000x vergroot.

De p-n junctie bezit essentiële eigenschappen voor moderne elektronica. Een p-gedoteerde halfgeleider is relatief geleidend. Hetzelfde geldt voor een n-gedoteerde halfgeleider, maar de overgang tussen beide kan uitgeput raken van ladingsdragers, en dus niet-geleidend worden, afhankelijk van de relatieve spanningen van de twee halfgeleidergebieden. Door deze niet-geleidende laag te manipuleren, worden p-n-overgangen gewoonlijk gebruikt als diodes: schakelingselementen die een stroom van elektriciteit in één richting toelaten, maar niet in de andere (tegengestelde) richting. Voorspeling is de toepassing van een spanning over een p-n-junctie; voorwaartse voorspanning is in de richting van een gemakkelijke stroom, en omgekeerde voorspanning is in de richting van weinig of geen stroom.

De voorwaartse-bias en de omgekeerde-bias eigenschappen van de p-n-junctie impliceren dat deze kan worden gebruikt als een diode. Een p-n-junctie diode laat elektrische ladingen in één richting stromen, maar niet in de tegenovergestelde richting; negatieve ladingen (elektronen) kunnen gemakkelijk door de junctie stromen van n naar p maar niet van p naar n, en het omgekeerde is waar voor gaten. Wanneer de p-n-overgang in voorwaartse fase is, kunnen de elektrische ladingen vrij stromen door de verminderde weerstand van de p-n-overgang. Wanneer de p-n-junctie echter omgekeerd gebiased is, wordt de splitsingsbarrière (en dus de weerstand) groter en is de ladingsstroom minimaal.

Equilibrium (zero bias)Edit

In een p-n-junctie wordt, zonder een extern aangelegde spanning, een evenwichtstoestand bereikt waarin zich een potentiaalverschil over de splitsing vormt. Dit potentiaalverschil wordt de ingebouwde potentiaal V b i genoemd {Displaystyle V_{\rm {bi}}

.

Aan de overgang worden de vrije elektronen van het n-type aangetrokken door de positieve gaten van het p-type. Ze diffunderen naar het p-type, combineren zich met de gaten en heffen elkaar op. Op soortgelijke wijze worden de positieve gaten in het p-type aangetrokken door de vrije elektronen in het n-type. De gaten diffunderen naar het n-type, combineren zich met de vrije elektronen en heffen elkaar op. De positief geladen doteringsatomen van het n-type maken deel uit van het kristal en kunnen niet bewegen. In het n-type wordt een gebied bij de overgang dus positief geladen. De negatief geladen doteringsatomen van het p-type maken deel uit van het kristal en kunnen zich niet verplaatsen. In het p-type wordt een gebied bij de overgang dus negatief geladen. Het resultaat is een gebied bij de overgang dat de mobiele ladingen van de overgang afstoot door het elektrische veld dat deze geladen gebieden creëren. De regio’s nabij het p-n grensvlak verliezen hun neutraliteit en de meeste van hun mobiele ladingen, en vormen zo het gebied van de ruimtelading of de depletielaag (zie figuur A).

Figuur A. Een p-n junctie in thermisch evenwicht met toegepaste nul-bias spanning. De elektronen- en gatenconcentratie worden weergegeven met respectievelijk blauwe en rode lijnen. Grijze gebieden zijn ladingsneutraal. De licht-rode zone is positief geladen. Licht-blauwe zone is negatief geladen. Onderaan wordt het elektrisch veld getoond, de elektrostatische kracht op elektronen en gaten en de richting waarin de diffusie elektronen en gaten pleegt te verplaatsen. (De log-concentratiecurven zouden eigenlijk vloeiender moeten zijn met een helling die varieert met de veldsterkte.)

Het elektrische veld dat door de ruimtelaadzone wordt gecreëerd, werkt het diffusieproces voor zowel elektronen als gaten tegen. Er zijn twee gelijktijdige fenomenen: het diffusieproces dat de neiging heeft meer ruimte lading te genereren, en het elektrisch veld opgewekt door de ruimte lading dat de neiging heeft de diffusie tegen te gaan. Het profiel van de draagstofconcentratie bij evenwicht is in figuur A weergegeven met blauwe en rode lijnen. Ook zijn de twee tegengestelde verschijnselen weergegeven die het evenwicht tot stand brengen.

Figuur B. Een p-n-junctie in thermisch evenwicht met toegepaste nul-biasspanning. Onder de junctie zijn grafieken voor de ladingsdichtheid, het elektrisch veld en de spanning weergegeven. (De log-concentratiekrommen zouden eigenlijk vloeiender moeten zijn, zoals de spanning.)

De ruimteladingszone is een zone met een netto lading die wordt geleverd door de vaste ionen (donors of acceptors) die onbedekt zijn gelaten door de verspreiding van de meerderheidsdrager. Wanneer een evenwicht is bereikt, wordt de ladingsdichtheid benaderd door de afgebeelde stapfunctie. Aangezien de y-as van figuur A een log-schaal is, is de regio bijna geheel ontdaan van meerderheidsdragers (waardoor een ladingsdichtheid gelijk aan het netto-doperingsniveau overblijft), en is de rand tussen de ruimte-laadregio en de neutrale regio vrij scherp (zie figuur B, Q(x)-grafiek). De ruimte lading regio heeft dezelfde grootte van lading aan beide zijden van de p-n raakvlakken, dus het strekt zich verder uit aan de minder gedoteerde kant in dit voorbeeld (de n-kant in de figuren A en B).

Voorwaartse biasEdit

In voorwaartse bias is het p-type verbonden met de positieve terminal en het n-type met de negatieve terminal.

PN junctie werking in voorwaartse-bias modus, met vermindering van depletiebreedte. De panelen tonen het energiebanddiagram, het elektrisch veld en de netto ladingsdichtheid. Zowel p- als n-knooppunten zijn gedopeerd met een 1e15/cm3 (0,00016C/cm3) dopingniveau, wat leidt tot een ingebouwd potentiaal van ~0,59 V. De afnemende depletiebreedte kan worden afgeleid uit het krimpende ladingsprofiel, aangezien minder doteermiddelen worden blootgesteld bij toenemende voorwaartse bias. Let op de verschillende quasi-fermi-niveaus voor geleidingsband en valentieband in n- en p-gebieden (rode curven)

Met een batterij die op deze manier is aangesloten, worden de gaten in het p-type gebied en de elektronen in het n-type gebied naar de junctie geduwd en beginnen de depletiezone te neutraliseren, waardoor de breedte afneemt. De positieve potentiaal die op het p-type materiaal wordt toegepast, stoot de gaten af, terwijl de negatieve potentiaal die op het n-type materiaal wordt toegepast, de elektronen afstoot. De potentiaalverandering tussen de p-zijde en de n-zijde neemt af of verandert van teken. Met toenemende voorwaartse-biasspanning wordt de depletiezone uiteindelijk zo dun dat het elektrische veld van de zone de beweging van de ladingsdrager over de p-n-overgang niet kan tegengaan, waardoor de elektrische weerstand afneemt. Elektronen die via de p-n-overgang in het p-type materiaal terechtkomen (of gaten die in het n-type materiaal terechtkomen) diffunderen naar het nabijgelegen neutrale gebied. De hoeveelheid minderheidsdiffusie in de nabijgelegen neutrale zones bepaalt de hoeveelheid stroom die door de diode kan vloeien.

Alleen meerderheidsdragers (elektronen in n-type materiaal of gaten in p-type) kunnen over een macroscopische lengte door een halfgeleider vloeien. Met dit in gedachten, beschouw de stroom van elektronen over de junctie. De voorwaartse bias veroorzaakt een kracht op de elektronen die hen van de N-zijde naar de P-zijde duwt. Met voorwaartse bias is het depletiegebied smal genoeg dat elektronen de junctie kunnen oversteken en in het p-type materiaal kunnen injecteren. Zij blijven echter niet oneindig door het p-type materiaal stromen, omdat het energetisch gunstig voor hen is om te recombineren met gaten. De gemiddelde lengte die een elektron door het p-type materiaal aflegt alvorens te recombineren wordt de diffusielengte genoemd, en deze is meestal in de orde van micrometers.

Hoewel de elektronen slechts een korte afstand in het p-type materiaal doordringen, gaat de elektrische stroom ononderbroken door, omdat de gaten (de meerderheidsdragers) in de tegenovergestelde richting beginnen te stromen. De totale stroom (de som van de elektron- en gatenstromen) is constant in de ruimte, omdat elke variatie zou leiden tot ladingsopbouw in de tijd (dit is de stroomwet van Kirchhoff). De stroom van gaten van het p-type gebied naar het n-type gebied is precies analoog aan de stroom van elektronen van N naar P (elektronen en gaten wisselen van rol en de tekens van alle stromen en spanningen zijn omgekeerd).

Het macroscopische beeld van de stroom door de diode bestaat er dus uit dat elektronen door het n-type gebied naar de junctie stromen, dat gaten door het p-type gebied in tegengestelde richting naar de junctie stromen, en dat de twee soorten dragers voortdurend recombineren in de nabijheid van de junctie. De elektronen en gaten reizen in tegengestelde richtingen, maar ze hebben ook tegengestelde ladingen, zodat de totale stroom aan beide zijden van de diode in dezelfde richting loopt, zoals vereist.

De Shockley-diodevergelijking modelleert de voorwaartse-bias operationele kenmerken van een p-n-junctie buiten het lawinegebied (omgekeerd-biased geleidend).

Reverse biasEdit

Een silicium p-n-junctie in reverse bias.

Het verbinden van het p-type gebied met de negatieve pool van de batterij en het n-type gebied met de positieve pool komt overeen met reverse bias. Als een diode in sperrichting is geschakeld, is de spanning aan de kathode verhoudingsgewijs hoger dan aan de anode. Daarom vloeit er zeer weinig stroom totdat de diode defect raakt. De aansluitingen zijn weergegeven in het schema hiernaast.

Omdat het p-type materiaal nu verbonden is met de negatieve pool van de voeding, worden de ‘gaten’ in het p-type materiaal weggetrokken van de junctie, waardoor geladen ionen achterblijven en de breedte van het depletiegebied toeneemt. Evenzo worden, omdat het n-type gebied is verbonden met de positieve terminal, de elektronen weggetrokken van de junctie, met een vergelijkbaar effect. Dit verhoogt de spanningsbarrière waardoor een hoge weerstand ontstaat tegen de stroom van ladingsdragers, waardoor een minimale elektrische stroom de p-n-overgang kan passeren. De toename van de weerstand van de p-n-overgang resulteert in de overgang die zich als een isolator gedraagt.

De sterkte van het elektrische veld van de depletiezone neemt toe naarmate de reverse-bias spanning toeneemt. Zodra de elektrische veldsterkte boven een kritisch niveau stijgt, breekt de p-n-junctie depletiezone af en begint er stroom te lopen, gewoonlijk door ofwel de Zener- of de lawinedoorbraakprocessen. Beide afbraakprocessen zijn niet-destructief en omkeerbaar, zolang de hoeveelheid stroom niet zo groot wordt dat het halfgeleidermateriaal oververhit raakt en thermische schade veroorzaakt.

Dit effect wordt in het voordeel van Zener-diode-regelcircuits gebruikt. Zener diodes hebben een lage doorslagspanning. Een standaardwaarde voor doorslagspanning is bijvoorbeeld 5,6 V. Dit betekent dat de spanning aan de kathode niet meer dan ongeveer 5,6 V hoger kan zijn dan de spanning aan de anode (hoewel er een lichte stijging is met de stroom), omdat de diode afbreekt, en dus geleidt, als de spanning nog hoger wordt. Dit beperkt in feite de spanning over de diode.

Een andere toepassing van reverse biasing zijn Varicap diodes, waarbij de breedte van de depletion zone (geregeld met de reverse bias spanning) de capaciteit van de diode verandert.