Półprzewodniki — typ p, typ n i złącze PN

Półprzewodnik to materiał, którego przewodnictwo elektryczne można kształtować. W krzemie domieszki donorowe tworzą materiał typu n, w którym elektronami są nośniki większościowe, domieszki akceptorowe tworzą materiał typu p, w którym nośnikami większościowymi są dziury, a połączenie obu daje złącze PN, które przewodzi znacznie łatwiej przy polaryzacji w kierunku przewodzenia niż przy polaryzacji zaporowej.

Ta jedna idea wyjaśnia dużą część podstaw elektroniki. Diody, LED-y, ogniwa słoneczne i wiele struktur tranzystorowych zależą od tego, jak nośniki poruszają się w domieszkowanych obszarach półprzewodnika.

Czym jest półprzewodnik

W prostym obrazie pasmowym półprzewodnik ma zapełnione pasmo walencyjne, prawie puste pasmo przewodnictwa oraz przerwę energetyczną na tyle małą, że zachowanie nośników można zmieniać w zwykłych warunkach pracy elementu. Czysty krzem w temperaturze pokojowej ma pewną liczbę ruchomych nośników, ale znacznie mniejszą niż metal.

Dlatego kluczowe pytanie nie brzmi tylko „czy przewodzi?”. Bardziej użyteczne pytanie brzmi: „co zmienia liczbę i ruch nośników ładunku?”. W półprzewodnikach odpowiedzią są często domieszkowanie, pola elektryczne, temperatura albo światło.

Półprzewodniki typu p i typu n

Czysty materiał półprzewodnikowy nazywa się zwykle samoistnym. Gdy celowo dodajesz niewielką ilość atomów domieszki, otrzymujesz półprzewodnik niesamoistny.

W krzemie domieszka donorowa, taka jak fosfor, może dostarczyć dodatkowy słabo związany elektron. To daje materiał typu n, w którym elektronami są nośniki większościowe.

Domieszka akceptorowa, taka jak bor, pozostawia w krysztale o jeden elektron wiążący za mało w prostym obrazie wiązań. To daje materiał typu p, w którym dziury są nośnikami większościowymi.

Dziura nie jest protonem ani oddzielną cząstką fundamentalną. To wygodny sposób śledzenia ruchu brakujących elektronów w prawie całkowicie zapełnionym zbiorze stanów. W wielu zadaniach traktowanie dziur jako dodatnich ruchomych nośników bardzo ułatwia zrozumienie fizyki.

Jak domieszkowanie zmienia przewodnictwo

Domieszkowanie zmienia to, który rodzaj nośnika najłatwiej wprawić w ruch. W materiale typu n dostępnych do przewodzenia jest znacznie więcej elektronów niż w samoistnym krzemie. W materiale typu p dominujący wkład daje ruch dziur.

Cały kryształ nadal pozostaje elektrycznie obojętny. To ważne. Typ p nie oznacza, że całe ciało stałe ma dodatni ładunek netto, a typ n nie oznacza, że ma ujemny ładunek netto.

Jak powstaje złącze PN

Gdy połączy się obszary typu p i typu n, nośniki nie pozostają idealnie rozdzielone. Elektrony w pobliżu złącza dyfundują ze strony n w kierunku strony p, a dziury dyfundują ze strony p w kierunku strony n.

W pobliżu granicy wiele z tych nośników rekombinuje. Pozostają wtedy nieruchome zjonizowane domieszki: dodatnio naładowane jony donorowe przy krawędzi po stronie n i ujemnie naładowane jony akceptorowe przy krawędzi po stronie p.

Ten obszar nazywa się obszarem zubożonym, ponieważ jest zubożony z większości ruchomych nośników, a nie dlatego, że materia znika. Odsłonięte ładunki tworzą wewnętrzne pole elektryczne i wbudowaną barierę, która przeciwdziała dalszej dyfuzji.

Ta samorzutnie utworzona bariera jest kluczem do działania diody. Każde wyjaśnienie polaryzacji w kierunku przewodzenia lub zaporowym musi śledzić, co dzieje się z tą barierą.

Przykład: polaryzacja w kierunku przewodzenia i zaporowym w diodzie krzemowej

Weź prostą diodę krzemową zbudowaną z jednego obszaru typu p i jednego obszaru typu n.

Przypadek 1: brak zewnętrznej baterii

Gdy tylko złącze powstaje, dyfuzja i rekombinacja tworzą obszar zubożony. Wbudowane pole elektryczne przeciwdziała dalszej dyfuzji nośników, więc złącze osiąga stan równowagi.

Przypadek 2: polaryzacja w kierunku przewodzenia

Teraz podłącz stronę p do dodatniego bieguna baterii, a stronę n do ujemnego. To jest polaryzacja w kierunku przewodzenia.

W tych warunkach pole zewnętrzne zmniejsza efektywną barierę na złączu. Obszar zubożony staje się węższy, a nośniki większościowe mogą łatwiej przechodzić przez złącze. Prąd może wtedy silnie wzrosnąć.

Przypadek 3: polaryzacja zaporowa

Odwróć baterię tak, aby strona p była ujemna, a strona n dodatnia. To jest polaryzacja zaporowa.

Teraz pole zewnętrzne zwiększa barierę i poszerza obszar zubożony. Nośniki większościowe są odciągane od złącza, więc zwykłe przewodzenie pozostaje małe. Rzeczywiste złącza nadal mają pewien prąd upływu wstecznego, a bardzo duże napięcie wsteczne może spowodować przebicie, więc obraz „w ogóle nie płynie prąd” nie jest poprawny.

To jest główna idea diody pokazana na jednym przykładzie. Złącze nie jest mechanicznym zaworem jednokierunkowym. To układ nośników i pól, którego bariera zmienia się wraz z przyłożoną polaryzacją.

Częste błędy w zadaniach o półprzewodnikach

• Twierdzenie, że materiał typu p jest ogólnie dodatnio naładowany. Nadal jest on jako całość elektrycznie obojętny.
• Traktowanie dziury jako dosłownej dodatnio naładowanej cząstki, takiej jak proton. To model opisujący zachowanie brakujących elektronów.
• Myślenie, że obszar zubożony to pusta przestrzeń. To głównie obszar z bardzo małą liczbą ruchomych nośników i wieloma nieruchomymi zjonizowanymi domieszkami.
• Zakładanie, że polaryzacja zaporowa oznacza dokładnie zerowy prąd. Rzeczywiste elementy zwykle mają niewielki prąd upływu, a dostatecznie wysokie napięcie wsteczne może całkowicie zmienić zachowanie.
• Zapamiętywanie „przewodzenie dobre, zaporowo źle” bez śledzenia tego, co dzieje się z barierą i ruchem nośników.

Gdzie stosuje się złącza PN i półprzewodniki

Półprzewodniki pojawiają się wszędzie tam, gdzie element ma mieć kontrolowane właściwości elektryczne, a nie tylko proste przewodzenie metaliczne. Złącza PN są podstawą diod prostowniczych, LED-ów, fotodiod, ogniw słonecznych i dużej części konstrukcji tranzystorów.

Gdy typ p, typ n i obszary zubożone stają się zrozumiałe, wiele pojęć z elektroniki przestaje być tajemnicze. Tranzystor nie jest już tylko symbolem na schemacie. Staje się strukturą sterującą przepływem nośników przez kształtowanie obszarów półprzewodnika i pól elektrycznych.

Spróbuj podobnego przypadku

Spróbuj własnej wersji z diodą LED albo ogniwem słonecznym. Zadawaj te same pytania po kolei: gdzie są nośniki większościowe, jakie pole istnieje na złączu i co się zmienia, gdy przyłożysz polaryzację w kierunku przewodzenia, polaryzację zaporową albo światło.