O joncțiune PN este formată atunci când un material de tipul N este topit împreună cu un material de tip P, creând o diodă semiconductoare.

În tutorialul anterior am văzut cum să realizăm un material semiconductor de tip N prin doparea unui atom de siliciu cu cantități mici de antimoniu și de asemenea cum să realizăm un material semiconductor de tip P prin doparea unui alt atom de siliciu cu bor.

Dar aceste materiale semiconductoare de tip N și de tip P dopate nu produc prea multe pe cont propriu deoarece sunt neutre din punct de vedere electric. Dacă aderăm (sau fuzionăm) aceste două materiale semiconductoare împreună, ele se comportă într-un mod foarte diferit împreună și produc ceea ce este cunoscut în general ca o "joncțiune PN".

Atunci când materialele semiconductoare de tip N și cele de tip P sunt mai întâi îmbinate, există un gradient de densitate foarte mare între ambele părți ale joncțiunii PN. Rezultatul este că unii electroni liberi din atomii de impuritate ai donatorului încep să migreze în această joncțiune nou formată pentru a umple golurile din materialul tip P producând ioni negativi.

Deoarece electronii s-au deplasat peste joncțiunea PN de la siliciu tip N la siliciu tip P, ei lasă în urmă ionii donatori încărcați pozitiv (ND) pe partea negativă și acum golurile din impuritățile acceptoare migrează peste joncțiune în direcția opusă în regiunea în care există un număr mare de electroni liberi.

Ca rezultat, densitatea de sarcină a tipului P de-a lungul joncțiunii este umplută cu ioni acceptori încărcați negativ (NA), iar densitatea de sarcină a tipului N de-a lungul joncțiunii devine pozitivă. Acest transfer de sarcină de electroni și goluri peste joncțiunea PN este cunoscut sub numele de difuzie. Lățimea acestor straturi P și N depinde de cât de puternic este dopată fiecare parte cu densitatea acceptorului NA și densitatea donatorului ND, respectiv.

Acest proces continuă înainte și înapoi până când numărul de electroni care au trecut joncțiunea are o sarcină electrică suficient de mare pentru a respinge sau a împiedica oricât de mulți purtători de sarcină să treacă peste joncțiune. În cele din urmă va apărea o stare de echilibru (situație neutră din punct de vedere electric), producând o zonă "barieră de potențial" în jurul ariei joncțiunii, deoarece atomii donatori resping golurile, iar atomii acceptori resping electronii.

Deoarece nici un purtător de sarcină liber nu poate rămâne într-o poziție în care există o barieră de potențial, regiunile de pe ambele părți ale joncțiunii devin acum complet epuizate de orice purtători liberi în comparație cu materialele de tip N și P aflate mai departe de joncțiune. Această zonă în jurul joncțiunii PN este acum numită stratul de epuizare.

Joncțiunea PN

Sarcina totală pe fiecare parte a unui joncțiuni PN trebuie să fie egală și opusă pentru a menține o stare de sarcină neutră în jurul joncțiunii. Dacă regiunea stratului de epuizare are o distanță D, ea trebuie să pătrundă în siliciu cu o distanță DP pentru partea pozitivă și o distanță DN pentru partea negativă care dă o relație între cele două: DP*NA = DN*ND pentru a menține neutralitatea sarcinii numită și echilibru.

Distanța joncțiunii PN

Deoarece materialul de tip N a pierdut electroni, iar tipul P a pierdut goluri, materialul de tip N a devenit pozitiv în raport cu tipul P. Prezența ionilor de impurități pe ambele părți ale joncțiunii determină stabilirea unui câmp electric în această regiune cu partea N la o tensiune pozitivă relativă la partea P. Problema acum este că o sarcină liberă necesită o energie suplimentară pentru a depăși bariera, care există acum, pentru ca ea să poată trece prin joncțiunea regiunii epuizate.

Acest câmp electric creat prin procesul de difuzie a produs o "diferență de potențial încorporată" pe joncțiune cu un potențial de circuit deschis (polarizare zero) de:

unde: Eo este tensiunea pe joncțiune cu polarizare zero, VT este tensiunea termică de 26 mV la temperatura camerei, ND și NA sunt concentrațiile de impurități și ni este concentrația intrinsecă.

O tensiune pozitivă potrivită (polarizare directă) aplicată între cele două capete ale joncțiunii PN poate furniza electroni și goluri libere cu energie suplimentară. Tensiunea externă necesară pentru a depăși această barieră de potențial, care există acum, depinde în mare măsură de tipul de material semiconductor folosit și de temperatura sa efectivă.

În mod tipic, la temperatura camerei, tensiunea stratul de epuizare pentru siliciu este de aproximativ 0,6 - 0,7 volți, iar pentru germaniu este de aproximativ 0,3 - 0,35 volți. Această barieră de potențial va exista întotdeauna chiar dacă dispozitivul nu este conectat la nicio sursă externă de alimentare, așa cum se vede în diode.

Semnificația acestui potențial încorporat de-a lungul joncțiunii este că se opune atât fluxului de goluri, cât și fluxului de electroni de-a lungul joncțiunii și de aceea se numește bariera de potențial. În practică, o joncțiune PN este formată în interiorul unui singur cristal de material, mai degrabă decât prin simpla îmbinare sau fuziune a două piese separate.

Rezultatul acestui proces este că joncțiunea PN are caracteristici de redresare tensiune-curent (VI sau V-I). Contactele electrice sunt fuzionate pe fiecare parte a semiconductorului pentru a permite conectarea electrică la un circuit extern. Dispozitivul electronic rezultat care a fost realizat este denumit în mod obișnuit o diodă joncțiune PN sau simplu diodă de semnal.

Am văzut că o joncțiune PN poate fi realizată prin îmbinarea sau difuzarea împreună a materialelor semiconductoare dopate diferit pentru a produce un dispozitiv electronic, dioda, care poate fi folosită ca structură semiconductoare de bază pentru redresoare, toate tipurile de tranzistoare, LED-uri, celule solare și multe alte dispozitive tip solid-state.

În următorul tutorial despre joncțiunea PN, ne vom uita la una dintre cele mai interesante aplicații ale joncțiunii PN care este utilizarea sa în circuite ca o diodă. Prin adăugarea conexiunilor la fiecare capăt al materialelor de tip P și de tip N se poate produce un dispozitiv cu două terminale numit Diodă joncțiune PN care poate fi polarizată de o tensiune externă pentru a bloca sau a permite curgerea curentului prin ea.

REFERINȚE:

joncțiunea PN