P-n-övergången har viktiga egenskaper för modern elektronik. En p-dopad halvledare är relativt ledande. Detsamma gäller för en n-dopad halvledare, men övergången mellan dem kan bli tömd på laddningsbärare och därmed icke-ledande, beroende på de relativa spänningarna i de två halvledarområdena. Genom att manipulera detta icke-ledande skikt används p-n-övergångar vanligen som dioder: kretselement som tillåter ett flöde av elektricitet i en riktning men inte i den andra (motsatta) riktningen. Förspänning är att en spänning läggs över en p-n-övergång; framåtriktad förspänning är i riktning mot ett lätt strömflöde, och omvänd förspänning är i riktning mot litet eller inget strömflöde.
Den framåtriktade förspänningen och den omvända förspänningens egenskaper hos p-n-övergången innebär att den kan användas som en diod. En p-n-övergångsdiod tillåter elektriska laddningar att flöda i en riktning, men inte i motsatt riktning; negativa laddningar (elektroner) kan lätt flöda genom övergången från n till p men inte från p till n, och det omvända gäller för hål. När p-n-övergången är framåtpolad flödar elektrisk laddning fritt på grund av det minskade motståndet i p-n-övergången. När p-n-övergången är omvänt förspänd blir dock övergångsbarriären (och därmed motståndet) större och laddningsflödet är minimalt.
Jämvikt (nollförspänning)Edit
I en p-n-övergång, utan en extern påförd spänning, uppnås ett jämviktstillstånd där det bildas en potentialdifferens över övergångsstället. Denna potentialskillnad kallas inbyggd potential V b i {\displaystyle V_{\rm {bi}}}
.
I korsningen dras de fria elektronerna i n-typen till de positiva hålen i p-typen. De diffunderar in i p-typen, kombineras med hålen och upphäver varandra. På liknande sätt dras de positiva hålen i p-typen till de fria elektronerna i n-typen. Hålen diffunderar in i n-typen, kombineras med de fria elektronerna och tar ut varandra. De positivt laddade donator- och dopatatomerna i n-typen är en del av kristallen och kan inte röra sig. I n-typen blir därför ett område nära korsningen positivt laddat. De negativt laddade, accepterande dopantatomerna i p-typen är en del av kristallen och kan inte röra sig. I p-typen blir därför ett område nära övergångsstället negativt laddat. Resultatet är ett område nära korsningen som verkar för att stöta bort de rörliga laddningarna från korsningen genom det elektriska fält som dessa laddade områden skapar. Regionerna nära p-n-gränssnittet förlorar sin neutralitet och de flesta av sina rörliga laddningar, vilket bildar rymdladdningsregionen eller utarmningsskiktet (se figur A).
Det elektriska fältet som skapas av rymdladdningsområdet motsätter sig diffusionsprocessen för både elektroner och hål. Det finns två samtidiga fenomen: diffusionsprocessen som tenderar att generera mer rymdladdning, och det elektriska fält som genereras av rymdladdningen som tenderar att motverka diffusionen. Profilen för bärarkoncentrationen vid jämvikt visas i figur A med blå och röda linjer. Dessutom visas de två motverkande fenomenen som skapar jämvikt.
Rymdladdningsområdet är en zon med en nettoladdning som tillhandahålls av de fasta joner (donatorer eller acceptatorer) som har lämnats otäckta av majoritetsbärardiffusionen. När jämvikt uppnås approximeras laddningstätheten av den visade stegfunktionen. Eftersom y-axeln i figur A är logaritmisk, är området nästan helt tömt på majoritetsbärare (vilket ger en laddningstäthet som är lika med nettodopningsnivån), och gränsen mellan rymdladdningsområdet och det neutrala området är ganska skarp (se figur B, Q(x)-diagrammet). Rymdladdningsområdet har samma laddningsstorlek på båda sidor av p-n-gränssnitten, vilket innebär att det sträcker sig längre på den mindre dopade sidan i det här exemplet (n-sidan i figurerna A och B).
Forward biasEdit
I forward bias är p-typen ansluten till den positiva terminalen och n-typen är ansluten till den negativa terminalen.
Med ett batteri som är anslutet på detta sätt skjuts hålen i p-typ-regionen och elektronerna i n-typ-regionen mot korsningen och börjar neutralisera utarmningszonen, vilket minskar dess bredd. Den positiva potentialen som appliceras på p-typ materialet stöter bort hålen, medan den negativa potentialen som appliceras på n-typ materialet stöter bort elektronerna. Potentialförändringen mellan p-sidan och n-sidan minskar eller byter tecken. Med ökande forward-bias-spänning blir utarmningszonen så småningom så tunn att zonens elektriska fält inte kan motverka laddningsbärarnas rörelse över p-n-övergången, vilket följaktligen minskar det elektriska motståndet. Elektroner som passerar p-n-övergången in i p-typ-materialet (eller hål som passerar in i n-typ-materialet) diffunderar in i det närliggande neutrala området. Mängden minoritetsdiffusion i de nära neutrala zonerna avgör hur mycket ström som kan flöda genom dioden.
Endast majoritetsbärare (elektroner i n-typ material eller hål i p-typ) kan flöda genom en halvledare i en makroskopisk längd. Med detta i åtanke kan vi betrakta flödet av elektroner över förbindelsen. Den framåtriktade förspänningen orsakar en kraft på elektronerna som driver dem från N-sidan mot P-sidan. Med framåtriktad förspänning är utarmningsområdet tillräckligt smalt för att elektronerna ska kunna korsa övergången och injicera i p-materialet. De fortsätter dock inte att strömma genom p-materialet i all oändlighet, eftersom det är energimässigt gynnsamt för dem att rekombineras med hål. Den genomsnittliga längd som en elektron färdas genom p-typ-materialet innan den rekombineras kallas diffusionslängden, och den är vanligtvis i storleksordningen mikrometer.
Och även om elektronerna bara tränger in en kort sträcka i p-typ-materialet fortsätter den elektriska strömmen oavbrutet, eftersom hålen (majoritetsbärarna) börjar flöda i motsatt riktning. Den totala strömmen (summan av elektron- och hålströmmarna) är konstant i rymden, eftersom varje variation skulle orsaka laddningsuppbyggnad med tiden (detta är Kirchhoffs strömlag). Flödet av hål från p-typområdet till n-typområdet är exakt analogt med flödet av elektroner från N till P (elektroner och hål byter roller och tecknen på alla strömmar och spänningar är omvända).
Därmed innebär den makroskopiska bilden av strömflödet genom dioden att elektroner flödar genom n-typområdet mot förbindelsen, att hål flödar genom p-typområdet i motsatt riktning mot förbindelsen, och att de två typerna av bärare ständigt rekombinerar i närheten av förbindelsen. Elektronerna och hålen rör sig i motsatt riktning, men de har också motsatta laddningar, så den totala strömmen går i samma riktning på båda sidor av dioden, vilket krävs.
Shockley-diodekvationen modellerar de operativa egenskaperna för framåtspänning i en p-n-övergång utanför lavinområdet (omvänt polariserat ledningsområde).
Omvänd förspänningRedigera
Anslutning av p-typområdet till batteriets negativa pol och n-typområdet till den positiva polen motsvarar omvänd förspänning. Om en diod är omvänt polariserad är spänningen vid katoden jämförelsevis högre än vid anoden. Därför flyter mycket lite ström tills dioden går sönder. Anslutningarna illustreras i diagrammet intill.
Då p-typmaterialet nu är anslutet till strömförsörjningens negativa terminal dras ”hålen” i p-typmaterialet bort från övergångsstället, vilket lämnar kvar laddade joner och gör att utarmningsområdets bredd ökar. På samma sätt, eftersom n-typområdet är anslutet till den positiva terminalen, dras elektronerna bort från övergången, med liknande effekt. Detta ökar spänningsbarriären och orsakar ett högt motstånd mot flödet av laddningsbärare, vilket gör att minimal elektrisk ström kan passera p-n-övergången. Ökningen av motståndet i p-n-övergången resulterar i att övergången beter sig som en isolator.
Styrkan av det elektriska fältet i utarmningszonen ökar när spänningen för den omvända förspänningen ökar. När styrkan i det elektriska fältet ökar över en kritisk nivå bryts p-n-övergångens utarmningszon ner och strömmen börjar flöda, vanligen genom antingen Zener- eller lavinbrytningsprocessen. Båda dessa nedbrytningsprocesser är icke-destruktiva och reversibla, så länge strömmen inte når upp till nivåer som gör att halvledarmaterialet överhettas och orsakar termisk skada.
Denna effekt används med fördel i Zenerdiodsregulatorkretsar. Zenerdioder har en låg genombrottsspänning. Ett standardvärde för nedbrytningsspänning är till exempel 5,6 V. Detta innebär att spänningen vid katoden inte kan vara mer än cirka 5,6 V högre än spänningen vid anoden (även om det finns en liten ökning med strömmen), eftersom dioden bryter ner, och därmed leder, om spänningen blir högre. Detta begränsar i själva verket spänningen över dioden.
En annan tillämpning av omvänd förspänning är Varicapdioder, där bredden på utarmningszonen (som styrs med den omvända förspänningen) ändrar diodens kapacitans.
