Złącze p-n posiada istotne właściwości dla nowoczesnej elektroniki. Półprzewodnik z domieszką p jest względnie przewodzący. To samo dotyczy półprzewodnika z domieszką n, ale złącze między nimi może zostać pozbawione nośników ładunku, a tym samym nieprzewodzące, w zależności od względnych napięć w dwóch regionach półprzewodnika. Poprzez manipulowanie tą nieprzewodzącą warstwą, złącza p-n są powszechnie używane jako diody: elementy obwodu, które pozwalają na przepływ prądu w jednym kierunku, ale nie w drugim (przeciwnym). Bias to przyłożenie napięcia do złącza p-n; forward bias jest w kierunku łatwego przepływu prądu, a reverse bias jest w kierunku małego przepływu prądu lub jego braku.
Właściwości forward-bias i reverse-bias złącza p-n implikują, że może ono być używane jako dioda. Dioda złącza p-n pozwala na przepływ ładunków elektrycznych w jednym kierunku, ale nie w przeciwnym; ładunki ujemne (elektrony) mogą łatwo przepływać przez złącze z n do p, ale nie z p do n, a odwrotnie jest w przypadku dziur. Kiedy złącze p-n jest spolaryzowane do przodu, ładunek elektryczny przepływa swobodnie z powodu zmniejszonej rezystancji złącza p-n. Kiedy jednak złącze p-n jest odwrócone, bariera złącza (a więc opór) staje się większa i przepływ ładunku jest minimalny.
Równowaga (zero bias)Edycja
W złączu p-n, bez zewnętrznego przyłożonego napięcia, osiągany jest stan równowagi, w którym różnica potencjałów tworzy się w poprzek złącza. Ta różnica potencjałów nazywana jest potencjałem wbudowanym V b i {{displaystyle V_{rm {bi}}}
.
Na złączu wolne elektrony w typie n są przyciągane przez dodatnie dziury w typie p. Dyfundują one do typu p, łączą się z dziurami i znoszą się wzajemnie. W podobny sposób dodatnie dziury w typie p są przyciągane do wolnych elektronów w typie n. Dziury dyfundują do typu n, łączą się z dziurami i znoszą się nawzajem. Dziury dyfuzji do n-typu, łączą się z wolnych elektronów i anulować siebie nawzajem. Dodatnio naładowane, donor, atomy domieszek w n-typu są częścią kryształu, i nie może się poruszać. Tak więc, w n-typu, region w pobliżu złącza staje się dodatnio naładowany. Ujemnie naładowane, akceptor, atomy domieszek w typu p są częścią kryształu, i nie może się poruszać. Tak więc, w typu p, region w pobliżu złącza staje się ujemnie naładowany. Rezultatem jest region w pobliżu złącza, który działa odpychając ruchome ładunki z dala od złącza poprzez pole elektryczne, które te naładowane regiony tworzą. Regiony w pobliżu interfejsu p-n tracą swoją neutralność i większość ruchomych nośników, tworząc region ładunku przestrzennego lub warstwę zubożenia (patrz rysunek A).
Pole elektryczne wytworzone przez region ładunku przestrzennego przeciwstawia się procesowi dyfuzji zarówno dla elektronów jak i dziur. Istnieją dwa równoległe zjawiska: proces dyfuzji, który ma tendencję do generowania większego ładunku przestrzennego oraz pole elektryczne wytwarzane przez ładunek przestrzenny, które ma tendencję do przeciwdziałania dyfuzji. Profil koncentracji nośników w stanie równowagi jest pokazany na rysunku A liniami niebieską i czerwoną. Pokazane są również dwa równoważące się zjawiska, które ustanawiają równowagę.
Obszar ładunku przestrzennego to strefa z ładunkiem netto dostarczonym przez jony stałe (donory lub akceptory), które pozostały nieosłonięte przez dyfuzję nośników większościowych. Gdy osiągnięta jest równowaga, gęstość ładunku jest aproksymowana przez wyświetlaną funkcję krokową. W rzeczywistości, ponieważ oś y na rysunku A jest log-skalą, region ten jest prawie całkowicie pozbawiony nośników większościowych (pozostawiając gęstość ładunku równą poziomowi domieszkowania netto), a krawędź pomiędzy regionem ładunku przestrzennego i regionem neutralnym jest dość ostra (patrz rysunek B, wykres Q(x)). Region ładunku przestrzennego ma taką samą wielkość ładunku po obu stronach interfejsu p-n, dlatego w tym przykładzie rozciąga się dalej po stronie mniej domieszkowanej (strona n na rysunkach A i B).
Forward biasEdit
W forward bias, typ p jest połączony z terminalem dodatnim, a typ n jest połączony z terminalem ujemnym.
Przy tak podłączonej baterii, dziury w regionie typu p i elektrony w regionie typu n są wypychane w kierunku złącza i zaczynają neutralizować strefę zubożenia, zmniejszając jej szerokość. Dodatni potencjał przyłożony do materiału typu p odpycha dziury, podczas gdy ujemny potencjał przyłożony do materiału typu n odpycha elektrony. Zmiana potencjału pomiędzy stroną p i n maleje lub zmienia znak. Ze wzrostem napięcia forward-bias strefa zubożenia staje się na tyle cienka, że pole elektryczne strefy nie jest w stanie przeciwdziałać ruchowi nośników ładunku przez złącze p-n, co w konsekwencji zmniejsza opór elektryczny. Elektrony, które przechodzą przez złącze p-n do materiału typu p (lub dziury, które przechodzą do materiału typu n) dyfundują do pobliskiego obszaru neutralnego. Ilość dyfuzji mniejszości w strefach neutralnych określa ilość prądu, który może przepływać przez diodę.
Tylko nośniki większościowe (elektrony w materiale typu n lub dziury w materiale typu p) mogą przepływać przez półprzewodnik na makroskopowej długości. Mając to na uwadze, rozważmy przepływ elektronów przez złącze. Uprzedzenie do przodu powoduje, że na elektrony działa siła, która popycha je od strony N w kierunku strony P. Przy przednim biasie, obszar zubożenia jest na tyle wąski, że elektrony mogą przejść przez złącze i wstrzyknąć się do materiału typu p. Jednak nie płyną dalej. Jednak nie przepływają one przez materiał typu p w nieskończoność, ponieważ energetycznie korzystna jest dla nich rekombinacja z dziurami. Średnia długość elektronu podróżuje przez materiał typu p przed rekombinacji nazywa długość dyfuzji, a to jest zwykle na rząd mikrometrów.
Although elektrony przenikają tylko niewielką odległość do materiału typu p, prąd elektryczny trwa nieprzerwanie, ponieważ dziury (nośniki większości) zaczynają płynąć w przeciwnym kierunku. Całkowity prąd (suma prądów elektronów i dziur) jest stały w przestrzeni, ponieważ jakiekolwiek zmiany spowodowałyby gromadzenie się ładunku w czasie (jest to prawo prądowe Kirchhoffa). Przepływ dziur z regionu typu p do regionu typu n jest dokładnie analogiczny do przepływu elektronów z N do P (elektrony i dziury zamieniają się rolami, a znaki wszystkich prądów i napięć są odwrócone).
Więc makroskopowy obraz przepływu prądu przez diodę obejmuje elektrony przepływające przez region typu n w kierunku złącza, dziury przepływające przez region typu p w przeciwnym kierunku w kierunku złącza, a te dwa gatunki nośników stale rekombinują w pobliżu złącza. Elektrony i dziury poruszają się w przeciwnych kierunkach, ale mają też przeciwne ładunki, więc całkowity prąd płynie w tym samym kierunku po obu stronach diody, zgodnie z wymaganiami.
Równanie diody Shockleya modeluje charakterystykę operacyjną forward-bias złącza p-n poza regionem lawinowym (przewodzącym prąd wsteczny).
Odwrotny biasEdit
Podłączenie regionu typu p do ujemnego bieguna baterii i regionu typu n do dodatniego bieguna odpowiada odwrotnemu biasowi. Jeśli dioda jest odwrotnie spolaryzowana, napięcie na katodzie jest stosunkowo wyższe niż na anodzie. W związku z tym płynie bardzo mały prąd, dopóki dioda nie ulegnie uszkodzeniu. Połączenia są przedstawione na sąsiednim schemacie.
Ponieważ materiał typu p jest teraz podłączony do ujemnego bieguna źródła zasilania, „dziury” w materiale typu p są odciągane od złącza, pozostawiając za sobą naładowane jony i powodując zwiększenie szerokości regionu zubożenia. Podobnie, ponieważ region typu n jest podłączony do dodatniego terminala, elektrony są odciągane od złącza, z podobnym skutkiem. Powoduje to wzrost bariery napięciowej powodując duży opór dla przepływu nośników ładunku, co pozwala na minimalny prąd elektryczny do przekroczenia złącza p-n. Wzrost rezystancji złącza p-n powoduje, że złącze zachowuje się jak izolator.
Natężenie pola elektrycznego strefy zubożenia rośnie wraz ze wzrostem napięcia wstecznego biasu. Gdy natężenie pola elektrycznego wzrasta powyżej poziomu krytycznego, strefa zubożenia złącza p-n rozpada się i prąd zaczyna płynąć, zazwyczaj przez proces Zenera lub lawinowy. Oba te procesy są nieniszczące i odwracalne, o ile ilość płynącego prądu nie osiągnie poziomu powodującego przegrzanie materiału półprzewodnikowego i uszkodzenie termiczne.
Efekt ten jest wykorzystywany w obwodach regulacyjnych z diodą Zenera. Diody Zenera charakteryzują się niskim napięciem przebicia. Standardowa wartość napięcia przebicia wynosi na przykład 5,6 V. Oznacza to, że napięcie na katodzie nie może być wyższe niż około 5,6 V od napięcia na anodzie (chociaż istnieje niewielki wzrost wraz z prądem), ponieważ dioda ulega uszkodzeniu, a tym samym przewodzi prąd, jeśli napięcie staje się wyższe. To, w efekcie, ogranicza napięcie na diodzie.
Innym zastosowaniem odwrotnego biasu są diody Varicap, gdzie szerokość strefy zubożenia (kontrolowana za pomocą napięcia odwrotnego biasu) zmienia pojemność diody.
.
