Ημιαγωγοί — τύπου P, τύπου N και επαφή PN

Ένας ημιαγωγός είναι ένα υλικό του οποίου η ηλεκτρική αγωγιμότητα μπορεί να διαμορφωθεί κατά βούληση. Στο πυρίτιο, οι δότες προσμίξεων δημιουργούν υλικό τύπου n με ηλεκτρόνια ως φορείς πλειονότητας, οι αποδέκτες προσμίξεων δημιουργούν υλικό τύπου p με οπές ως φορείς πλειονότητας, και η ένωση των δύο δημιουργεί μια επαφή PN που άγει πολύ πιο εύκολα σε ορθή πόλωση παρά σε ανάστροφη.

Αυτή η μία ιδέα εξηγεί μεγάλο μέρος της βασικής ηλεκτρονικής. Οι δίοδοι, τα LED, τα ηλιακά στοιχεία και πολλές δομές τρανζίστορ εξαρτώνται από το πώς κινούνται οι φορείς σε νοθευμένες περιοχές ημιαγωγών.

Τι είναι ένας ημιαγωγός

Στην απλή εικόνα των ενεργειακών ζωνών, ένας ημιαγωγός έχει γεμάτη ζώνη σθένους, σχεδόν κενή ζώνη αγωγιμότητας και ένα ενεργειακό χάσμα αρκετά μικρό ώστε η συμπεριφορά των φορέων να μπορεί να αλλάζει στις συνήθεις συνθήκες λειτουργίας μιας διάταξης. Το καθαρό πυρίτιο σε θερμοκρασία δωματίου έχει κάποιους κινητούς φορείς, αλλά πολύ λιγότερους από ένα μέταλλο.

Άρα το βασικό ερώτημα δεν είναι μόνο «άγει;». Το χρήσιμο ερώτημα είναι «τι αλλάζει τον αριθμό και την κίνηση των φορέων φορτίου;». Στους ημιαγωγούς, η απάντηση είναι συχνά το ντοπάρισμα, τα ηλεκτρικά πεδία, η θερμοκρασία ή το φως.

Ημιαγωγοί τύπου P και τύπου N

Το καθαρό ημιαγώγιμο υλικό συχνά λέγεται ενδογενές. Όταν προσθέτεις σκόπιμα μια μικρή ποσότητα ατόμων προσμίξεων, δημιουργείς έναν εξωγενή ημιαγωγό.

Στο πυρίτιο, ένας δότης πρόσμιξης όπως ο φώσφορος μπορεί να προσφέρει ένα επιπλέον χαλαρά δεσμευμένο ηλεκτρόνιο. Αυτό δημιουργεί υλικό τύπου n, όπου τα ηλεκτρόνια είναι οι φορείς πλειονότητας.

Ένας αποδέκτης πρόσμιξης όπως το βόριο αφήνει τον κρύσταλλο με ένα ηλεκτρόνιο δεσμού λιγότερο, στην απλή εικόνα των δεσμών. Αυτό δημιουργεί υλικό τύπου p, όπου οι οπές είναι οι φορείς πλειονότητας.

Μια οπή δεν είναι πρωτόνιο ούτε ξεχωριστό θεμελιώδες σωματίδιο. Είναι ένας βολικός τρόπος να παρακολουθούμε την κίνηση των ελλειπόντων ηλεκτρονίων σε ένα σχεδόν πλήρες σύνολο καταστάσεων. Σε πολλά προβλήματα, η αντιμετώπιση των οπών ως θετικών κινητών φορέων κάνει τη φυσική πολύ πιο εύκολη στην κατανόηση.

Πώς το ντοπάρισμα αλλάζει την αγωγιμότητα

Το ντοπάρισμα αλλάζει ποιο είδος φορέα είναι ευκολότερο να κινηθεί. Στο υλικό τύπου n, υπάρχουν πολύ περισσότερα ηλεκτρόνια διαθέσιμα για αγωγή απ’ ό,τι στο ενδογενές πυρίτιο. Στο υλικό τύπου p, η κίνηση των οπών γίνεται η κυρίαρχη συνεισφορά.

Ο κρύσταλλος παραμένει συνολικά ηλεκτρικά ουδέτερος. Αυτό είναι σημαντικό. Το υλικό τύπου p δεν σημαίνει ότι όλο το στερεό έχει καθαρό θετικό φορτίο, και το υλικό τύπου n δεν σημαίνει ότι έχει καθαρό αρνητικό φορτίο.

Πώς σχηματίζεται μια επαφή PN

Όταν ενώνονται περιοχές τύπου p και τύπου n, οι φορείς δεν μένουν τέλεια διαχωρισμένοι. Τα ηλεκτρόνια κοντά στην επαφή διαχέονται από την πλευρά n προς την πλευρά p, και οι οπές διαχέονται από την πλευρά p προς την πλευρά n.

Κοντά στο όριο, πολλοί από αυτούς τους φορείς επανασυνδέονται. Αυτό αφήνει πίσω ακίνητες ιονισμένες προσμίξεις: θετικά φορτισμένα ιόντα δοτών στο άκρο της πλευράς n και αρνητικά φορτισμένα ιόντα αποδεκτών στο άκρο της πλευράς p.

Αυτή η περιοχή λέγεται περιοχή απογύμνωσης επειδή έχει απογυμνωθεί από τους περισσότερους κινητούς φορείς, όχι επειδή εξαφανίζεται η ύλη. Τα ακάλυπτα φορτία δημιουργούν ένα εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο και ένα ενσωματωμένο φράγμα που αντιστέκεται σε περαιτέρω διάχυση.

Αυτό το φράγμα που σχηματίζεται από μόνο του είναι το κλειδί για τη συμπεριφορά της διόδου. Κάθε εξήγηση της ορθής ή της ανάστροφης πόλωσης πρέπει να παρακολουθεί τι συμβαίνει σε αυτό το φράγμα.

Λυμένο παράδειγμα: Ορθή πόλωση και ανάστροφη πόλωση σε μια δίοδο πυριτίου

Πάρε μια απλή δίοδο πυριτίου που αποτελείται από μία περιοχή τύπου p και μία περιοχή τύπου n.

Περίπτωση 1: Χωρίς εξωτερική μπαταρία

Μόλις σχηματιστεί η επαφή, η διάχυση και η επανασύνδεση δημιουργούν την περιοχή απογύμνωσης. Το ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο αντιστέκεται στην περαιτέρω διάχυση φορέων, οπότε η επαφή καταλήγει σε ισορροπία.

Περίπτωση 2: Ορθή πόλωση

Τώρα σύνδεσε την πλευρά p στον θετικό πόλο μιας μπαταρίας και την πλευρά n στον αρνητικό πόλο. Αυτή είναι η ορθή πόλωση.

Σε αυτή την περίπτωση, το εξωτερικό πεδίο μειώνει το αποτελεσματικό φράγμα στην επαφή. Η περιοχή απογύμνωσης γίνεται στενότερη και οι φορείς πλειονότητας μπορούν να περάσουν την επαφή πιο εύκολα. Τότε το ρεύμα μπορεί να αυξηθεί έντονα.

Περίπτωση 3: Ανάστροφη πόλωση

Αντέστρεψε την μπαταρία ώστε η πλευρά p να είναι αρνητική και η πλευρά n θετική. Αυτή είναι η ανάστροφη πόλωση.

Τώρα το εξωτερικό πεδίο αυξάνει το φράγμα και διευρύνει την περιοχή απογύμνωσης. Οι φορείς πλειονότητας απομακρύνονται από την επαφή, οπότε η συνηθισμένη αγωγή παραμένει μικρή. Οι πραγματικές επαφές εξακολουθούν να έχουν κάποιο ανάστροφο ρεύμα διαρροής, και πολύ μεγάλη ανάστροφη τάση μπορεί να προκαλέσει διάσπαση, άρα η εικόνα «καθόλου ρεύμα» δεν είναι σωστή.

Αυτή είναι η βασική ιδέα της διόδου σε ένα παράδειγμα. Η επαφή δεν είναι μια μηχανική μονόδρομη βαλβίδα. Είναι ένα σύστημα φορέων και πεδίων του οποίου το φράγμα αλλάζει με την εφαρμοζόμενη πόλωση.

Συνηθισμένα λάθη σε ερωτήσεις για ημιαγωγούς

• Να λέγεται ότι το υλικό τύπου p είναι συνολικά θετικά φορτισμένο. Παραμένει συνολικά ηλεκτρικά ουδέτερο.
• Να αντιμετωπίζεται η οπή ως κυριολεκτικό θετικά φορτισμένο σωματίδιο όπως το πρωτόνιο. Είναι ένα μοντέλο για τη συμπεριφορά ελλειπόντων ηλεκτρονίων.
• Να θεωρείται ότι η περιοχή απογύμνωσης είναι κενός χώρος. Είναι κυρίως μια περιοχή με πολύ λίγους κινητούς φορείς και πολλά ακίνητα ιονισμένα άτομα προσμίξεων.
• Να υποτίθεται ότι η ανάστροφη πόλωση σημαίνει ακριβώς μηδενικό ρεύμα. Οι πραγματικές διατάξεις συνήθως έχουν μικρή διαρροή, και αρκετά μεγάλη ανάστροφη τάση μπορεί να αλλάξει εντελώς τη συμπεριφορά.
• Να απομνημονεύεται το «ορθή καλή, ανάστροφη κακή» χωρίς να παρακολουθείται τι συμβαίνει στο φράγμα και στην κίνηση των φορέων.

Πού χρησιμοποιούνται οι επαφές PN και οι ημιαγωγοί

Οι ημιαγωγοί εμφανίζονται παντού όπου μια διάταξη χρειάζεται ελεγχόμενη ηλεκτρική συμπεριφορά αντί για απλή μεταλλική αγωγή. Οι επαφές PN είναι η βάση των ανορθωτικών διόδων, των LED, των φωτοδιόδων, των ηλιακών στοιχείων και μεγάλου μέρους του σχεδιασμού τρανζίστορ.

Μόλις οι περιοχές τύπου p, τύπου n και απογύμνωσης γίνουν κατανοητές, πολλές ιδέες της ηλεκτρονικής παύουν να φαίνονται μυστηριώδεις. Ένα τρανζίστορ δεν είναι πια απλώς ένα σύμβολο κυκλώματος. Γίνεται μια δομή που ελέγχει τη ροή φορέων διαμορφώνοντας περιοχές ημιαγωγού και ηλεκτρικά πεδία.

Δοκίμασε μια παρόμοια περίπτωση

Δοκίμασε τη δική σου εκδοχή με ένα LED ή ένα ηλιακό στοιχείο. Κάνε τις ίδιες ερωτήσεις με τη σειρά: πού βρίσκονται οι φορείς πλειονότητας, ποιο πεδίο υπάρχει στην επαφή και τι αλλάζει όταν εφαρμόζεις ορθή πόλωση, ανάστροφη πόλωση ή φως.