Tekst źródłowy strony Złącze p-n

'''Złączem p-n''' nazywane jest [[Złącze (elektronika)|złącze]] dwóch [[Półprzewodniki|półprzewodników]] niesamoistnych o różnych typach [[Przewodnictwo elektryczne|przewodnictwa]]: [[Przewodnictwo dziurowe|typu ''p'']] i [[Przewodnictwo elektronowe|typu ''n'']].

W obszarze typu ''n'' ({{k|en|negative}}) ''nośnikami większościowymi'' są [[Elektron|elektrony]] (ujemne). Atomy domieszek (''[[donor]]y'') pozostają unieruchomione w [[Sieć krystaliczna|sieci krystalicznej]]. Analogicznie w obszarze typu ''p'' ({{k|en|positive}}) nośnikami większościowymi są [[dziura elektronowa|dziury]] o [[ładunek elektryczny|ładunku elektrycznym]] dodatnim. Atomy domieszek są tu ''[[akceptor]]ami''. W półprzewodnikach obu typów występują także ''nośniki mniejszościowe'' przeciwnego znaku niż większościowe; [[Gęstość liczbowa|koncentracja]] nośników mniejszościowych jest dużo mniejsza niż większościowych. Obszar o mniejszej koncentracji domieszek znajdujący się pomiędzy kontaktem złącza a warstwą zubożoną nazywany jest ''bazą''<ref>{{Cytuj książkę |nazwisko= Szmidt |imię=Jan |nazwisko2= Zaręba |imię2=Agnieszka |nazwisko3= Beck |imię3=Romuald B |tytuł= Laboratorium przyrządów półprzewodnikowych. Praca zbiorowa |data=2006 |wydawca=Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej |miejsce=Warszawa |isbn=83-7207-606-5 |strony=}}</ref>.

== Złącze niespolaryzowane ==
W stanie [[równowaga termodynamiczna|równowagi termodynamicznej]], tj. gdy z zewnątrz nie przyłożono żadnego [[pole elektryczne|pola elektrycznego]], w pobliżu styku obszarów ''p'' i ''n'' swobodne nośniki większościowe przemieszczają się (dyfundują), co spowodowane jest różnicą koncentracji nośników. Gdy elektrony przemieszczą się do obszaru typu ''p'', natomiast dziury do obszaru typu ''n'' (stając się wówczas nośnikami mniejszościowymi) dochodzi do [[Rekombinacja (fizyka)|''rekombinacji'']] z nośnikami większościowymi, które nie przeszły na drugą stronę złącza. Rekombinacja polega na „połączeniu” elektronu z dziurą, a więc powoduje „unieruchomienie” tych dwóch swobodnych nośników.

Zatem rekombinacja powoduje redukcję nośników po obu stronach złącza, w wyniku czego w pobliżu kontaktu pozostają jedynie odsłonięte jony [[domieszka|domieszek]]: ujemne akceptorów i dodatnie donorów; jony te wytwarzają pole elektryczne, które zapobiega dalszej [[dyfuzja|dyfuzji]] nośników. W efekcie w pobliżu złącza powstaje ''warstwa ładunku przestrzennego'', nazywana też ''warstwą zubożoną'' (tj. praktycznie nieposiadającą swobodnych nośników) lub ''warstwą zaporową''. Nieruchomy ładunek dodatni po stronie ''n'' hamuje przepływ dziur z obszaru ''p'', natomiast ładunek ujemny po stronie ''p'' hamuje przepływ elektronów z obszaru ''n''. Innymi słowy przepływ nośników większościowych praktycznie ustaje.

[[Plik:Zlacze pn-niespolaryzowane.svg|left|Złącze p-n niespolaryzowane]]

Przepływ nośników większościowych nazywany jest ''prądem dyfuzyjnym''. W złączu mogą przepływać również nośniki mniejszościowe – jest to ''prąd unoszenia'' i jego zwrot jest przeciwny do zwrotu prądu dyfuzyjnego. Ze względu na niską koncentrację nośników mniejszościowych wartość prądu unoszenia jest niewielka, rzędu mikroamperów (10<sup>−6</sup>), a nawet pikoamperów (10<sup>−12</sup>).

Pole elektryczne ładunku przestrzennego jest reprezentowane przez barierę potencjału. W złączu niespolaryzowanym jest to ''napięcie dyfuzyjne'', którego wartość zależy głównie od koncentracji domieszek i temperatury. W przypadku złączy wykonanych z [[krzem]]u napięcie to w temperaturze pokojowej ma wartość rzędu 0,6–0,8 V, natomiast dla złączy [[german]]owych wynosi ok. 0,2–0,3 V. Napięcie dyfuzyjne zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury o ok. 2,3 [[wolt|mV]]/[[kelwin|K]].

== Polaryzacja złącza ==
Jeśli do złącza zostanie przyłożone napięcie zewnętrzne, wówczas równowaga zostanie zaburzona. W zależności od biegunowości napięcia zewnętrznego rozróżnia się dwa rodzaje polaryzacji złącza:
* ''w kierunku przewodzenia'', wówczas dodatni biegun napięcia jest dołączony do obszaru ''p'';
* ''w kierunku zaporowym'', wówczas dodatni biegun napięcia jest dołączany do obszaru ''n''.

Bez względu na polaryzację dla większości złączy można przyjąć, że całe napięcie zewnętrzne odkłada się na obszarze zubożonym.

=== Polaryzacja w kierunku przewodzenia ===
W tym przypadku bariera potencjału zmniejsza się o wartość zewnętrznego napięcia ''U'', zmniejsza się również szerokość obszaru zubożonego. Gdy ''U'' przekroczy wartość napięcia dyfuzyjnego, wówczas obszar zubożony znika i praktycznie bez przeszkód następuje dyfuzja nośników mniejszościowych z obszaru ''n'' do ''p'' i z ''p'' do ''n''. Te dodatkowe nośniki (nazywane ''wstrzykniętymi nośnikami mniejszościowymi'') rekombinują z nośnikami większościowymi w danym obszarze. Ze źródła zasilania jednak wciąż dopływają nowe nośniki większościowe, zatem dyfuzja nie zatrzymuje się jak w przypadku niespolaryzowanego złącza, lecz ma miejsce cały czas. W efekcie w obwodzie płynie ''prąd dyfuzyjny''. Jego wartość opisuje przybliżone równanie, zwane [[Równanie Shockleya|równaniem Shockleya]]:
: <math>I = I_{sat} \left( e^\frac{qU}{kT} -1 \right) = I_{sat} \left( e^\frac{U}{U_T} - 1\right),</math>

gdzie:
* <math>I_{sat}</math> – natężenie prądu nasycenia złącza, które zależy od konstrukcji złącza i parametrów materiałów
* <math>q</math> – [[Ładunek elektryczny elementarny|ładunek elektronu]]
* <math>T</math> – temperatura (w kelwinach)
* <math>k</math> – [[Stała Boltzmanna|stała Boltzmana]]
* <math>U_T</math> – [[potencjał elektrokinetyczny]] zwany również potencjałem termicznym, <math>U_T = \frac{kT}{q},</math> który wynosi ok. 26 mV dla T = 300 K (27 °C)<ref>W Polsce przyjmuje się potencjał elektrokinetyczny ok. 25 mV (dla T = 293 K, tj. 20 °C). Czasami może prowadzić to do rozbieżności w wynikach, szczególnie w porównaniu z wartościami obliczonymi za pomocą oprogramowania analizującego obwody (programy zazwyczaj wpisane mają jako domyślną temperaturę T = 300 K).</ref>

=== Polaryzacja w kierunku zaporowym ===
W tym przypadku bariera potencjału zwiększa się, gdyż do napięcia dyfuzyjnego dodaje się napięcie zewnętrzne, zwiększa się również szerokość obszaru zubożonego. Przy takiej polaryzacji płynie tylko niewielki prąd unoszenia, zwany tutaj [[prąd wsteczny|prądem wstecznym]]. Wartość prądu wstecznego praktycznie nie zależy od wartości przyłożonego napięcia, zależy natomiast od temperatury i własności materiału, ponieważ to te parametry mają wpływ na ilość nośników mniejszościowych.

== Pojemność złącza ==
Złącze ''pn'' spolaryzowane w kierunku zaporowym charakteryzuje pewna [[pojemność elektryczna]], która (nieliniowo) zależy od szerokości obszaru zubożanego – jest to tzw. ''pojemność złączową'' (ozn. <math>C_j</math>). Szerokość obszaru zubożanego zależy od przyłożonego zewnętrznego napięcia, dzięki czemu pojemność może być regulowana napięciem – jest to wykorzystywane w [[dioda pojemnościowa|diodach pojemnościowych]].

[[Plik:Zlacze pn-pojemnosc zlaczowa.svg|frame|right|Zależność pojemności złączowej od napięcia]]

Zależność ta opisana jest przybliżonym wzorem
: <math>C_j = \frac{C_{j0}}{\left(1 - \frac{U}{\varphi_B}\right)^n}</math>

gdzie:
* <math>C_{j0}</math> – pojemność złączowa przy zerowym napięciu,
* <math>\varphi_B</math> – wartość bariery potencjału,
* <math>n</math> – wartość zależna od rodzaju złącza i materiału, w granicach 0,3–0,5.

Oprócz pojemności złączowej istnieje również ''pojemność dyfuzyjna'' związana z występowaniem nadmiarowych nośników mniejszościowych; zależy od natężenia prądu płynącego przez złącze.

== Przebicie lawinowe ==
Jeśli napięcie polaryzujące jest odpowiednio duże (a więc obszar zubożony szeroki), to nośniki przechodzące przez obszar zubożony uzyskują dużą energię. Zderzając się z węzłami sieci krystalicznej (z atomami), przekazują im część swojej energii, co powoduje przejście elektronów do [[Pasmowa teoria przewodnictwa|pasma przewodnictwa]], a co za tym idzie również „utworzenie” dziur – innymi słowy ma miejsce [[jonizacja]]. Pojawiają się w ten sposób nowe nośniki, które również są przyspieszane, zderzają się z węzłami sieci itd. Proces ten nabiera charakteru lawinowego i nazywany jest ''przebiciem lawinowym'' – jednak wbrew nazwie nie powoduje uszkodzenia złącza. Efektem tego procesu jest gwałtowny wzrost prądu w obwodzie; prąd ten zwie się ''prądem jonizacji lawinowej''.

== Przebicie Zenera ==
{{osobny artykuł|Zjawisko Zenera}}
Przebicie Zenera występuje w złączach silnie domieszkowanych, tzn. takich w których koncentracja domieszek (akceptorów i donorów) jest bardzo duża i zachodzi dla napięć wstecznych mniejszych od 5–6 V.

== Charakterystyka prądowo-napięciowa ==
[[Plik:P-n junction characteristics.svg|thumb|300px|Zależność prądu płynącego przez złącze od napięcia]]
[[Plik:PN01.jpg|thumb|link=http://commons.wikimedia.org/wiki/File:PN01.jpg?uselang=pl|300px|Przykładowy wykres napięcia na złączu p-n przedstawionego w funkcji logarytmu prądu.(Dioda krzemowa małej mocy)]]

Charakterystyczne zakresy pracy złącza oznaczone są różnymi kolorami:
* czerwony (polaryzacja w kierunku przewodzenia) – <math>U < U_D,</math> złącze praktycznie nie przewodzi, prąd jest bardzo mały;
* niebieski (polaryzacja w kierunku przewodzenia) – <math>U > U_D,</math> złącze przewodzi, wraz ze wzrostem napięcia prąd znacząco rośnie;
* zielony (polaryzacja w kierunku zaporowym) – płynie niewielki prąd unoszenia;
* żółty (polaryzacja w kierunku zaporowym) – przebicie lawinowe lub Zenera, prąd gwałtownie rośnie.

== Zobacz też ==
* [[dioda]]
* [[dioda prostownicza]]
* [[dioda Zenera]]
* [[tranzystor]]

== Przypisy ==
{{Przypisy}}

{{Commonscat|PN-junction diagrams}}

{{Kontrola autorytatywna}}

[[Kategoria:Półprzewodniki]]