PN-overgang

Ein pn-overgang er overgangen mellom eit p-type og eit n-type halvleiarmateriale. I ein silisiumhalvleiar er p-materialet dopa med trivaliente akseptoratom. Krystallet er framleis nøytralt, etter som det inneheld like mange elektronar som proton, men det oppstår manko på elektron (hol) i nokre av dei kovalente bindingane i krystallet. Desse hola utgjer positive majoritetsbærarar i p-materialet. Tilsvarande er n-materialet dopa med pentavaliente donoratom, som fører til at nokre av dei kovaliante bindingane får eit overskotselektron. Desse elektrona utgjer majoritetsbærarar i n-materialet. I tillegg er det nokre frie elektron som utgjer minoritetsbærarar i p-materialet og likeeins finst det i n-materialet nokre hol som utgjer minoritetsbærarar.

pn-overgang i likevekt

pn-overgang i likevekt.

Elektronane i n-materialet er ikkje bundne til atom i krystallet og er frie til å vandra rundt i materialet. I nærleiken av pn-overgangen diffuserer elektronar inn i p-materialet, der dei tek plass i dei positivt lada hola i p-materialet. På grunn av at atoma i n-materialet attmed pn-overgangen misser elektronar oppstår det positivt lada hol i materialet.

Dette fører til at i eit tynnt sjikt attmed pn-overgangen får atomane i n-materialet fleire proton enn elektron og vert positivt lada, medan i eit tilsvarande tynnt sjikt i p-materialet får atomane fleire elektron enn proton og vert negativt lada. På dette viset oppstår det ei positiv ladning i n-materialet og ei negativ ladning i p-materialet. Når ladninga i regionen rundt pn-overgangen når ein viss verdi vil dei positive ladningane på p-sida av overgangen hindra fleire elektron i å kryssa overgangen. pn-overgangen er da i likevekt. På grunn av at ladninga har fjerna hol frå p-sida og elektron frå n-sida vert den lada regionen rundt pn-overgangen ei uttynningssone, òg kalla deplesjonsregionen, eller sperresjiktet. Denne regionen er svært tynn og har ei breidd på berre nokre ti- til hundretals μm, eller noko i underkant av bylgjelengda til synleg ljos.

Dei ulike ladningane på kvar side av pn-overgangen (ein konsentrasjonsgradient) fører til at det oppstår ein eit elektrisk felt og difor ein potenisalgradient i uttynningssona. Dette potensialet kan òg sjåast i samanheng med at elektronane i valensskalet i p-materialet har meir energi enn i n-materialet, på grunn av at di fleire elektron det er i valensskalet di sterkare er tiltrekkingskrafta frå kjernen i atomet og di meir energi krevst det for å halda dei i bane i valensskalet. Dette er illustrert med diagrammet nest i figuren til høgre. For at frie elektron i n-materialet skal vera i stand til å kryssa uttynningssona må dei ha ein energi på minst $E=V_{d}e$, der $V_d$ er potensiellbarrieren og e er elementærladninga, til å overvinna denne poteniellbarrieren. Di fleire elektron som diffuserer frå n- til p-materialet, di kraftigare vert potenialbarrieren og det oppstår etter kvart likevekt. Etter kvart er i denne samanhengen ei svært stutt tid. Energidifferensen mellom valensskalet og leiarskiktet er framleis den same.

Storleiken på potenialbarrieren $V_d$, (diffusjonspotenialet) er avhengig av kva material som er nytta, dopingsgraden og temperaturen. Ved romtemperatur er han i silisium rundt 0.6 til 0.7 V, medan han i germanium er på rundt 0.3 V. Figuren illustrerer òg at når pn-overgangen er i likevekt har n- og p-materiala same Fermi-nivå.

Kjelder

• Millman, J. og Grabel, A., Microelectronics, 2. utg., McGraw-Hill, 1987.
• Floyd, T.L., Electronic devices, 9. utg., Pearson, 2012.

Sjå òg

• Halvleiar
• Diode
• Transistor