pn-overgang

Se også pn-diode

En pn-overgang eller np-overgang er en grænseflade mellem to typer af halvledere; p-type og n-type, inden i ét enkelt krystal af halvleder. En pn-overgang bliver skabt ved dotering, fx ved ion-implantation, diffusion af dopanter - eller ved epitaksi (vækst af et dopant-type doteret krystallag ovenpå et andet dopant-type doteret krystallag). Hvis to separate dopant-type doterede krystallag blev sat sammen mekanisk ville der introduceres en kornovergang mellem de to dopant-type halvledere, hvilket ville hæmme dets anvendelse grundet scattering af elektronerne og elektronhullerne.

pn-overgange er grundlæggende "byggeblokke" af de fleste halvlederkomponenter såsom dioder, transistorer, solceller, lysdioder og integrerede kredsløb; pn-overgange er her de aktive zoner, hvor komponentens elektroniske virkning sker. Fx består den bipolare transistor af to pn-overgange i serie; i form af enten npn eller pnp.

Opdagelsen af pn-overgangen bliver sædvanligvis krediteret til den amerikanske fysiker Russell Ohl i 1939 fra Bell Laboratories.^[1]

En Schottky-overgang er et specialtilfælde af en pn-overgang, hvor metallet har rollen af p-type halvlederen.

pn-overgangens egenskaber uden ekstern fotonbelysning

Billede af siliciumatomer (Si) forstørret ca. 45.000.000x.

pn-overgangen besidder nogle interessante egenskaber, der har nogle brugbare anvendelser indenfor moderne elektronik. Et p-doteret halvleder er en relativ god leder. Det samme gælder en n-doteret halvleder, men overgangen mellem dem bliver tømt for "frie" ladningsbærere - og er derfor ikke-ledende, afhængig af de relative spændinger over de to halvlederområder. Ved manipulering af disse ikke-ledende zoner - kan pn-overgangene anvendes til dioder; kredsløbselementer som tillader en strøm af elektricitet i den ene retning, men ikke i den anden (modsatte) retning. Forspænding/spærrespænding er anvendelsen af en spænding over en pn-overgang; forspænding er i retning af "let" elektrisk strømming - og spærrespænding (omvendt forspænding) er i retning af lille eller meget lille elektrisk strømming.

Uden forspænding

I en pn-overgang, uden ekstern påtrykt spændingsforskel, bliver en ligevægtsbetingelse nået, hvor en (mindre) spændingsforskel opretholdes over overgangen. Denne potentialeforskel kaldes det indbyggede potentiale $V_{\rm {bi}}$ .

I np-overgangen vil elektroner fra n-zonen nær pn-overgangen have en tendens til af diffundere ind i p-zonen. Når disse elektroner diffunderer efterlader de positivt ladede ion (donor-ioner) i n-zonen.

På lignende vis vil huller fra p-zonen nær pn-overgangen have en tendens til af diffundere ind i n-zonen, efterladende (acceptor-ioner) med negativ ladning. Området nær pn-overgangen mister sin neutralitet og bliver ladet - og udgør rumladningsområdet eller spærrelaget (se figur A).

Figur A. En np-overgang i termisk ligevægt men nul-bias (ingen spændingsforskel påtrykt). Elektron og hul koncentration vises med henholdsvis blå og røde linjer. Gråzoner er ladningsneutrale. Lyserøde zoner er positivt ladede. Lyseblå zoner er negativt ladede. Det elektriske felt er vist nederst, den elektrostatiske kraft på elektronerne og hullerne og med hvilken retning diffusionstendensen af elektroner og huller er i.

Det elektriske felt skabt af rumladningsområdet modsætter sig diffusionsprocessen for både elektroner og huller. Dette er to samtidige fænomener: Diffusionsprocessen har en tendens til at skabe mere rumladning - og det genererede elektriske felt af rumladningen som modvirker diffusionen. Ladningskoncentrationsprofilen ved ligevægt er vist i figur A med blå og røde linjer. Der er også vist de to modsat balancerende fænomener som tilvejebringer ligevægt.

Figur B. En pn-overgang i termisk ligevægt med nul-bias spændingsforskel påtrykt. Under overgangen, plottes ladningstætheden, det elektriske felt - og den rapporterede spænding.

Med forspænding

I fremad-bias bliver p-type halvlederen forbundet med den positive terminal - og n-type halvlederen bliver forbundet med den negative terminal.

pn-overgang i fremad-bias drift, visende reduceret spærrelagsbredde. Både p og n siliciumhalvlederzonerne er doteret til 1e15/cm3, hvilket har en indbygget potentialeforskel på ~0,59 V. Det reducerede spærrelags bredde, kan udledes af den mindskede ladningsprofil, da færre dopanter bliver eksponeret med fremad-bias.

Med et spændingskilde (fx batteri) forbundet så pn-overgangen får fremad-bias, vil elektronhuller i P-type zonen og elektroner i N-type zonen blive skubbet mod selve overgangen. Dette reducerer spærrelagsbredden. Det positive potentiale sat til P-type materialet frastøder huller, mens det negative potentiale sat til N-type materialet frastøder "frie" elektroner. Da elektroner og huller bliver skubbet mod overgangen, vil spærrelaget blive smallere. Dette minsker barrierens potentiale. Ved at øge forward-bias spændingen, kan spærrelagszonen blive så tynd at zonens elektriske felt ikke kan modvirke ladningsbærere at krydse pn-overgange - og som konsekvens minskes pn-overgangens resistans.

Med spærrespænding (omvendt forspænding)

Figur C: En silicium pn-overgang med spærrespænding (omvendt forspænding).

I omvendt-bias bliver p-type halvlederen forbundet med den negative terminal - og n-type halvlederen bliver forbundet med den positive terminal.

Med et spændingskilde (fx batteri) forbundet så pn-overgangen får omvendt-bias, vil huller i P-type zonen og elektroner i N-type zonen blive trukket væk fra overgangen. Dette øger spærrelagsbredden. Det negative potentiale sat til P-type materialet tiltrækker huller, mens det positive potentiale sat til N-type materialet tiltrækker "frie" elektroner. Da elektroner og huller bliver trukket væk fra overgangen, vil spærrelaget blive breddere. Dette øger barrierens potentiale. pn-overgangen virker her som isolator.

Hvis det elektriske felts gradient øges over et vist kritisk niveau, vil pn-overgangen spærrelag gennembrydes og strøm vil begynde at flyde, typisk ved enten en Zener-effekt eller avalanche-effekt. Disse fænomener er begge ikke-destruktive og er reversible, så længe strømstyrken ikke får halvlederen til at blive for varm. Hvis halvlederen bliver for varm vil det forårsage termiske skader.

Denne effekt anvendes i Zenerdiode stabiliserede regulatorkredsløb.

En anden anvendelse af omvendt-bias er kapacitetsdioder, hvor bredden af spærrelaget (styret af pn-overgangsspændingen) ændrer diodens kapacitans.

pn-overgangens egenskaber med rette eksterne fotoneksitation eller fotonafgivelse

For at en pn-overgang kan blive belyst med - eller afgive fotoner med den rette bølgelængde, skal krystalindpakningen være gennemsigtig for de givne fotoner.

Der vil dog være et spændingsfald over PN uanset om pn-overgangen udsender eller optager fotoner - og dette spændingsfald vil afhænge af PN-halvledermaterialet, temperatur, aktive areal+tykkelse og strømstyrke/areal:^[2]^[3]

Hyppigst anvendte halvledermaterialer	Spændingsfald ca. Vf (V) @ 20mA	Bølgelængde ca. nm	Bemærkninger
Ge, Germanium	0,2-1,5		Ensretterdioder. Anvendes næsten ikke mere. F.eks. OA91, AA119, AA143, 1N60, AAY10-120, OY101(aksialt hus uden gevind)^[4]^[5]
Kobberoxid	0,2 (?mA)		Ensretterdioder. Anvendes næsten ikke mere.^[6]^[7]
Selen-baserede	0,5 (?mA)		Ensretterdioder. Anvendes næsten ikke mere.^[6]
Si, Silicium	0,7		Ensretterdioder. F.eks. OY101(aksialt hus med gevind)^[4]^[8], 1N4007, 1N4148, 1N4448, BY227
Si, Silicium	0,2-0,3		Schottky-ensretterdioder. F.eks. BAT81, 1N5817, MBR160, MMBD770
SiC, Siliciumcarbid	ca. 1		SiC-Schottky-diode. F.eks. GB01SLT12-220^[9]
GaAs Galliumarsenid, GaAlAs	1,2-1,9	850-940	Infrarøde lysdioder og laserdioder
GaAlAs, GaAsP, InGaAIP, GaP	1,6-2,0	610-760	Røde lysdioder
GaAsP, InGaAIP, GaP	2,0-2,1	590-610	Orange og ravfarvede lysdioder
GaAsP, AlGaInP, GaP	2,1-2,2	570-590	Gule lysdioder
GaP, AlGaInP, AlGaP	1,9-4,0	500-570	Grønne lysdioder
InGaN, SiC	2,5-3,7	450-500	Blå lysdioder og laserdioder - inkl. hvide lysdioder
InGaN	2,8-4,0	400-450	Violette lysdioder
AlN, AlGaN, AlGaInN	3,1-4,1	<400	Ultraviolette lysdioder

Ingen forspænding; med fotoneksitation

pn-overgangen vil her opføre sig som en fotodiode og solcelle, hvor spændingen vil stige grundet fotonabsorbtion og afhængig af ydre belastning og belysningsstyrke og foton-bølgelængde.

Selv lysdioder kan opføre sig som fotodioder og solceller.

Med spærrespænding; med fotoneksitation

Denne anvendelsestilstand gør at (fx) en fotodiode reagerer hurtigere på lysændringer. Dette er nyttig i f.eks. optisk fiber modtagere. Fotostrømmen er nogenlunde lineart afhængig af lysstyrken. ^[10]

Med forspænding; med fotonudsendelse

Når der påtrykkes en positiv spænding over PN, vil elektronerne løbe gennem N til NP-zone, og hullerne vil løbe gennem P til NP-zone fra den anden side. Det resulterer i at elektroner og hullerne annihilerer under udsendelse af fotoner. Men disse fotoner kan blive absorberet af krystalnærområderne og blive omsat til termisk varme, hvis krystalnærområderne ikke er designet favorabelt.

pn-overgangen kan her opføre sig som en monokromatisk (infrarød, synligt lys eller UV)-lysdiode eller laserdiode.

pn-overgang anekdoter

Utilsigtet fotodiodevirkning

Raspberry Pi 2 fra 2015 har en lille regulatorkreds, som er gennemsigtig for lys. Det resulterer i at Raspberry Pi 2 går ned hvis den bliver xenon-blitzet - andre skriver, at Raspberry Pi 2 er blitz- og laser-sky.^[11]^[12] Det skyldes fotodiode- og solcelle-effekten og bevirker at regulatorkredsen slukker processoren, ved kraftig infrarød belysning.

Tilsigtet (?) fotodiodevirkning

OC603 transistor fra Telefunken med afskrabet maling.

OCP71 fototransistor

Det forlød (fra midt 1960'erne og frem) at den eneste forskel på den bipolare transistor med produktkoden OC71 - og fototransistoren OCP71, var fraværet af sort maling på OCP71.^[13] Da OCP71 var dyrere end OC71, købte folk som havde brug for en fototransistor blot en OC71 og skrabede malingen af. Det hævdes så, at producenten Mullard opdagede dette og herefter fyldte OC71 med et uigennemsigtigt fyldmateriale, så OC71 ikke mere kunne benyttes som en fototransistor. Denne anekdote er dog usand. Faktisk blev de kasserede indpakkede OCP71 gentestet. Hvis de opfyldte kravene som andre OCxx transistorer, blev de malet med sort maling og solgt som OCxx.

I denne kilde^[14] står der at en OCP71 "blot" er en OC71 uden sort maling...

Se også

Kilder/referencer

^ Riordan, Michael; Lillian Hoddeson (1988). Crystal fire: the invention of the transistor and the birth of the information age. USA: W. W. Norton & Company. s. 88-97. ISBN 0-393-31851-6.
^ radio-electronics.com: LED Characteristics & Colours
^ oksolar.com: Technical LED's LED Color Chart
^ ^a ^b "qsl.net/dl7avf : Dioden und Gleichrichter - Diodes and Rectifiers". Arkiveret fra originalen 2. februar 2012. Hentet 19. marts 2015. Citat: "...Germanium Rectifiers...OY101..."
^ radiomuseum.org: OY101 Citat: "...Germanium junction rectifier 50 V, 0.1 A....", backup
^ ^a ^b "The Unusual Diode FAQ: IV.2 - Selenium and Copper Oxide diodes?". Arkiveret fra originalen 28. marts 2009. Hentet 28. marts 2009.
^ The Road to the Transistor, By Jed Margolin Citat: "...The copper oxide rectifier was invented in 1927 by L.O. Grondahl and P.H. Geiger...The selenium rectifier was invented in 1933 by C.E. Fitts..."
^ web-bcs.com: OY101 Citat: "...[nederst] the OY101 is a silicon power rectifier..."
^ "genesicsemi.com: GB01SLT12-220" (PDF). Arkiveret fra originalen (PDF) 2. april 2015. Hentet 19. marts 2015.
^ HyperPhysics: Photodetectors
^ 10. februar 2015, version2.dk: Blitz kan crashe Raspberry Pi 2
^ raspberrypi.org: Xenon Death Flash: a free physics lesson Arkiveret 17. marts 2015 hos Wayback Machine Citat: "...Importantly, it’s ONLY really high-intensity bursts like xenon flashes and laser pointers that will cause the issue. Other bright lights – even camera flashes using other technologies – won’t set it off...This component that’s causing the issue is in a WL-CSP package: a bare silicon die which has solder balls attached...Silicon junctions (the types that are responsible for making diodes and transistors and other such electronic miracles function) can be ‘upset’ by this photoelectric effect if it is large enough (i.e. if enough light of the right energy [i.e. colour] is fired at them). This seems to be what is happening to our power supply chip..."
^ wylie.org.uk: Mullard Semiconductors Citat: "...It is well-known that semiconductor junctions can be light-sensitive, and there is a widely repeated story that the OCP71 was just an ordinary OC71 without the black paint ('dope'). Because the OCP71 was more expensive, some people just scraped the paint off an OC71, to create an equivalent to the OCP71. The story then claims that Mullard changed the filler in the capsules from clear to opaque, to prevent this practice...Thanks to correspondence with an ex-Mullard employee from the Mitcham works, I now know that this story is entirely wrong..."
^ radiomuseum.org: OCP71 Citat: "... PNP germanium transistor OC71 without black paint intended as photo-transistor. Red dot indicates collector..."

Yderligere læsning

Shockley, William (1949). "The Theory of p-n Junctions in Semiconductors and p-n Junction Transistors". Bell System Technical Journal. 28 (3): 435-489. doi:10.1002/j.1538-7305.1949.tb03645.x. Hentet 12. juni 2013.

Eksterne henvisninger

https://www.youtube.com/watch?v=JBtEckh3L9Q Educational video on the P-N junction.
"P-N Junction" (Webside ikke længere tilgængelig) – PowerGuru, August, 2012.
Olav Torheim, Elementary Physics of P-N Junctions Arkiveret 10. februar 2012 hos Wayback Machine, 2007.
PN Junction Properties Calculator Arkiveret 20. april 2009 hos Wayback Machine
PN Junction Lab free to use on nanoHUB.org allows simulation and study of a P-N junction diode with different doping and materials. Users can calculate current-voltage (I-V) & capacitance-voltage (C-V) outputs, as well.

[1] Riordan, Michael; Lillian Hoddeson (1988). Crystal fire: the invention of the transistor and the birth of the information age. USA: W. W. Norton & Company. s. 88-97. ISBN 0-393-31851-6.

[2] radio-electronics.com: LED Characteristics & Colours

[3] solar.com: Technical LED's LED Color Chart

[qsldioder-4] "qsl.net/dl7avf : Dioden und Gleichrichter - Diodes and Rectifiers". Arkiveret fra originalen 2. februar 2012. Hentet 19. marts 2015. Citat: "...Germanium Rectifiers...OY101..."

[5] radiomuseum.org: OY101 Citat: "...Germanium junction rectifier 50 V, 0.1 A....", backup

[faqCuoSelen-6] "The Unusual Diode FAQ: IV.2 - Selenium and Copper Oxide diodes?". Arkiveret fra originalen 28. marts 2009. Hentet 28. marts 2009.

[7] The Road to the Transistor, By Jed Margolin Citat: "...The copper oxide rectifier was invented in 1927 by L.O. Grondahl and P.H. Geiger...The selenium rectifier was invented in 1933 by C.E. Fitts..."

[8] web-bcs.com: OY101 Citat: "...[nederst] the OY101 is a silicon power rectifier..."

[9] "genesicsemi.com: GB01SLT12-220" (PDF). Arkiveret fra originalen (PDF) 2. april 2015. Hentet 19. marts 2015.

[hyperphysics-10] HyperPhysics: Photodetectors

[11] 10. februar 2015, version2.dk: Blitz kan crashe Raspberry Pi 2

[12] raspberrypi.org: Xenon Death Flash: a free physics lesson Arkiveret 17. marts 2015 hos Wayback Machine Citat: "...Importantly, it’s ONLY really high-intensity bursts like xenon flashes and laser pointers that will cause the issue. Other bright lights – even camera flashes using other technologies – won’t set it off...This component that’s causing the issue is in a WL-CSP package: a bare silicon die which has solder balls attached...Silicon junctions (the types that are responsible for making diodes and transistors and other such electronic miracles function) can be ‘upset’ by this photoelectric effect if it is large enough (i.e. if enough light of the right energy [i.e. colour] is fired at them). This seems to be what is happening to our power supply chip..."

[13] wylie.org.uk: Mullard Semiconductors Citat: "...It is well-known that semiconductor junctions can be light-sensitive, and there is a widely repeated story that the OCP71 was just an ordinary OC71 without the black paint ('dope'). Because the OCP71 was more expensive, some people just scraped the paint off an OC71, to create an equivalent to the OCP71. The story then claims that Mullard changed the filler in the capsules from clear to opaque, to prevent this practice...Thanks to correspondence with an ex-Mullard employee from the Mitcham works, I now know that this story is entirely wrong..."

[14] radiomuseum.org: OCP71 Citat: "... PNP germanium transistor OC71 without black paint intended as photo-transistor. Red dot indicates collector..."

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]