Die P-N-Kreuzung

Wenn ein Block eines P-Typ-Halbleiters in Kontakt mit einem Block eines N-Typ-Halbleiters in Abbildung unten (a) gebracht wird, ist das Ergebnis wertlos. Wir haben zwei leitfähige Blöcke, die miteinander in Kontakt stehen und keine einzigartigen Eigenschaften aufweisen. Das Problem sind zwei separate und unterschiedliche Kristallkörper. Die Anzahl der Elektronen wird durch die Anzahl der Protonen in beiden Blöcken ausgeglichen. Somit hat keiner der Blöcke eine Nettogebühr.

Ein Halbleiter-Einkristall, der in Abbildung unten (b) mit P-Typ-Material an einem Ende und N-Typ-Material am anderen Ende hergestellt wurde, weist jedoch einige einzigartige Eigenschaften auf. Das Material vom P-Typ hat positive Majoritätsladungsträger, Löcher, die sich frei um das Kristallgitter bewegen können. Das Material vom N-Typ hat bewegliche negative Majoritätsträger, Elektronen. In der Nähe des Übergangs diffundieren die Elektronen des N-Typ-Materials über den Übergang und verbinden sich mit Löchern im P-Typ-Material. Der Bereich des P-Typ-Materials in der Nähe des Übergangs nimmt aufgrund der angezogenen Elektronen eine negative Nettoladung an. Da Elektronen die N-Typ-Region verlassen haben, nimmt sie eine lokalisierte positive Ladung an. Die dünne Schicht des Kristallgitters zwischen diesen Ladungen wurde an Majoritätsladungsträgern verarmt und wird daher als Verarmungsregion bezeichnet . Es wird ein nichtleitendes intrinsisches Halbleitermaterial. Tatsächlich haben wir fast einen Isolator, der die leitenden P- und N-dotierten Bereiche trennt.

(a) In Kontakt stehende P- und N-Halbleiterblöcke haben keine verwertbaren Eigenschaften. (b) Einkristalle, die mit Verunreinigungen vom P- und N-Typ dotiert sind, entwickeln eine Potentialbarriere.

Diese Ladungstrennung am PN-Übergang bildet eine Potentialbarriere. Diese Potentialbarriere muss durch eine externe Spannungsquelle überwunden werden, damit der Übergang leitend wird. Die Bildung des Übergangs und der Potentialbarriere erfolgt während des Herstellungsprozesses. Die Größe der Potentialbarriere ist eine Funktion der bei der Herstellung verwendeten Materialien. Silizium-PN-Übergänge haben eine höhere Potentialbarriere als Germanium-Übergänge.

PN-Kreuzungsfehler

In Abbildung unten(a) ist die Batterie so angeordnet, dass der negative Pol dem N-Typ-Material Elektronen zuführt. Diese Elektronen diffundieren in Richtung des Übergangs. Der positive Anschluss entfernt Elektronen aus dem P-Typ-Halbleiter, wodurch Löcher erzeugt werden, die in Richtung des Übergangs diffundieren. Wenn die Batteriespannung groß genug ist, um das Übergangspotential (0,6 V in Si) zu überwinden, verbinden sich die N-Elektronen und die P-Löcher und vernichten sich gegenseitig. Dadurch wird Platz innerhalb des Gitters frei, damit mehr Ladungsträger in Richtung der Verbindung fließen können. Somit fließen Ströme von N-Typ- und P-Typ-Majoritätsträgern zum Übergang hin. Die Rekombination am Übergang ermöglicht, dass Batteriestrom durch die PN-Übergangsdiode fließt. Eine solche Kreuzung wird als vorwärts gerichtet bezeichnet .

(a) Die Vorwärtsspannung der Batterie stößt Ladungsträger in Richtung der Verbindungsstelle ab, wo die Rekombination zu Batteriestrom führt. (b) Die umgekehrte Batterievorspannung zieht Ladungsträger zu den Batteriepolen, weg von der Verbindung. Die Dicke des Verarmungsbereichs nimmt zu. Es fließt kein anhaltender Batteriestrom.

Wenn die Polarität der Batterie wie in Abbildung oben (b) umgekehrt wird, werden Majoritätsladungsträger von der Verbindung weg zu den Batteriepolen hin angezogen. Der positive Batteriepol zieht N-Typ-Majoritätsträger, also Elektronen, vom Übergang weg. Der negative Anschluss zieht Majoritätsträger vom P-Typ, Löcher, von der Verbindung weg. Dies erhöht die Dicke des nichtleitenden Verarmungsbereichs. Es gibt keine Rekombination von Majoritätsträgern; also keine Leitung. Diese Anordnung der Batteriepolarität wird als umgekehrte Vorspannung bezeichnet .

Diode

Das schematische Diodensymbol ist in Abbildung unten (b) entsprechend dem dotierten Halbleiterstab bei (a) dargestellt. Die Diode ist eine unidirektionale Gerät. Strom fließt nur in eine Richtung, entlang des Pfeils, entsprechend der Vorwärtsspannung. Die Kathode, Balken, des Diodensymbols entspricht einem N-Typ-Halbleiter. Die Anode, Pfeil, entspricht dem Halbleiter vom P-Typ. Um sich an diese Beziehung zu erinnern, N ot-Zeige (Balken) auf dem Symbol entspricht N -Typ Halbleiter. P Salbe (Pfeil) entspricht P -typ.

(a) in Vorwärtsrichtung vorgespannter PN-Übergang, (b) entsprechendes schematisches Diodensymbol (c) I-V-Kennlinie der Siliziumdiode.

Wenn eine Diode wie in Abbildung oben (a) in Durchlassrichtung vorgespannt ist, steigt der Strom leicht an, wenn die Spannung von 0 V erhöht wird. Im Fall einer Siliziumdiode fließt ein messbarer Strom, wenn sich die Spannung in Abbildung oben 0,6 V nähert (c ). Wenn die Spannung über 0,6 V ansteigt, steigt der Strom nach dem Knie erheblich an. Eine Erhöhung der Spannung weit über 0,7 V kann zu einem ausreichend hohen Strom führen, um die Diode zu zerstören. Die Durchlassspannung VF ist eine Eigenschaft des Halbleiters:0,6 bis 0,7 V für Silizium, 0,2 V für Germanium, einige Volt für Leuchtdioden (LED). Der Durchlassstrom reicht von wenigen mA für Punktkontaktdioden über 100 mA für Kleinsignaldioden bis hin zu zehn oder tausend Ampere für Leistungsdioden.

Wenn die Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist, fließt nur der Leckstrom des intrinsischen Halbleiters. Dies ist in Abbildung oben (c) links vom Ursprung aufgetragen. Dieser Strom wird unter den extremsten Bedingungen für Silizium-Kleinsignaldioden nur 1 µA betragen. Dieser Strom nimmt mit zunehmender Sperrspannung nicht merklich zu, bis die Diode durchbricht. Beim Durchbruch steigt der Strom so stark an, dass die Diode zerstört wird, es sei denn, ein hoher Serienwiderstand begrenzt den Strom. Wir wählen normalerweise eine Diode mit einer höheren Sperrspannung als jede angelegte Spannung, um dies zu verhindern. Siliziumdioden sind typischerweise mit Sperrwerten von 50, 100, 200, 400, 800 V und höher erhältlich. Es ist möglich, Dioden mit einer niedrigeren Nennleistung von wenigen Volt für die Verwendung als Spannungsnormale herzustellen.

Wir haben bereits erwähnt, dass der Sperrleckstrom von unter einem µA für Siliziumdioden auf die Leitung des intrinsischen Halbleiters zurückzuführen ist. Dies ist die Leckage, die theoretisch erklärt werden kann. Thermische Energie erzeugt wenige Elektron-Loch-Paare, die den Leckstrom bis zur Rekombination leiten. In der Praxis ist dieser vorhersagbare Strom nur ein Teil des Leckstroms. Ein Großteil des Leckstroms ist auf Oberflächenleitung zurückzuführen, die auf die mangelnde Sauberkeit der Halbleiteroberfläche zurückzuführen ist. Beide Leckströme nehmen mit steigender Temperatur zu und nähern sich einem µA für kleine Siliziumdioden.

Bei Germanium ist der Leckstrom um Größenordnungen höher. Da Germaniumhalbleiter heute kaum noch verwendet werden, ist dies in der Praxis kein Problem.

RÜCKBLICK:

• PN-Übergänge werden aus einem monokristallinen Halbleiterstück hergestellt, wobei sich sowohl ein P-Typ- als auch ein N-Typ-Bereich in der Nähe eines Übergangs befinden.
• Die Übertragung von Elektronen von der N-Seite des Übergangs zu Löchern, die auf der P-Seite des Übergangs vernichtet wurden, erzeugt eine Sperrspannung. Dies beträgt 0,6 bis 0,7 V in Silizium und variiert mit anderen Halbleitern.
• Ein in Durchlassrichtung vorgespannter PN-Übergang leitet einen Strom, sobald die Sperrspannung überwunden ist. Das von außen angelegte Potential zwingt Majoritätsladungsträger in Richtung des Übergangs, wo die Rekombination stattfindet, wodurch ein Stromfluss ermöglicht wird.
• Ein in Sperrrichtung vorgespannter PN-Übergang leitet fast keinen Strom. Die angelegte Sperrspannung zieht Majoritätsträger vom Übergang weg. Dies erhöht die Dicke des nichtleitenden Verarmungsbereichs.
• In Sperrrichtung vorgespannte PN-Übergänge zeigen einen temperaturabhängigen Sperrleckstrom. Dies ist weniger als ein µA bei kleinen Siliziumdioden.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• PN-Kreuzungen-Arbeitsblatt
• Elektrische Leitung in Halbleitern Arbeitsblatt