Přechod PN bez působení vnějšího napětí

Přechod PN je místo, kde se u monokrystalu polovodiče mění vodivost typu P na vodivost typu N (obr. 1).

Obr. 1: Přechod PN

Je možné si na chvíli představit, že obě části monokrystalu nejsou ještě spojeny (obr. 2).

Obr. 2: Monokrystal s oddělenými částmi P a N (představa)

Část P obsahuje kromě neutrálních atomů základního prvku určitý počet vázaných záporných iontů a stejný počet volně pohyblivých děr. V části N jsou pevně vázanými náboji kladné ionty a pohyblivými náboji jsou elektrony. Kromě toho obsahují obě části také příslušné minoritní nosiče. Jak bylo již popsáno dříve, jsou tyto části krystalu navenek elektricky neutrální, nevytvářejí žádné vnější elektrické pole, které by mohlo nějak ovlivnit pohyb volných nábojů ve druhé části.

Nyní se vhodným technologickým postupem obě části (P a N) spojí tak, aby krystalová mřížka jedné části plynule, bez jakýchkoli nepravidelností (poruch), navazovala na krystalovou mřížku druhé části. Ihned po spojení začne působit difúze, tj. snaha volných nosičů náboje rovnoměrně se rozptýlit po celém objemu monokrystalu. Jakmile však některý elektron z části N přejde do části P nebo díra z části P do části N, dojde k porušení rovnováhy elektrických nábojů obou původně elektricky neutrálních částí. V části N, která ztrácí elektrony, začíná převládat kladný náboj pevně vázaných iontů donoru. Současně v části P, ve které elektrony rekombinují, začíná převládat záporný náboj pevně vázaných iontů akceptoru. Mezi částí P a N se vytváří rozdíl potenciálů, který se nazývá DIFÚZNÍ NAPĚTÍ U_D (obr. 3).

Obr. 3: Difúzní napětí

Čím více nosičů přejde přes přechod PN, tím je difúzní napětí větší. Současně se vznikem rozdílu potenciálů se v okolí přechodu PN vytváří elektrostatické pole pevných iontů, které svým působením brání difúzi nosičů náboje. Záporné ionty v části P totiž odpuzují elektrony, které se snaží do této části proniknout. Stejně působí i kladné ionty v části N na přicházející díry. S každým dalším přechodem náboje se zvětšuje odpudivá síla působící na difundující náboje, nábojů přechází stále méně, až ustaví dynamická rovnováha mezi kinetickou energií nosičů náboje a odpudivou silou elektrostatického pole iontů. Růst difúzního napětí se zastaví, dosáhne určité hodnoty, která je charakteristická pro polovodičové prvky. Difúzní napětí pro germanium je asi 0,2 V, v křemíku 0,56 V, v arzenidu galia asi 1,3 V.

Pro majoritní nosiče náboje tvoří difúzní napětí překážku, která se nazývá potenciálová přehrada (val, bariéra), přes kterou tyto nosiče náboje nemohou pronikat. V okolí přechodu tak vzniká oblast, ze které jsou zcela vytlačeny všechny majoritní nosiče náboje. Tato oblast má v případě, že na přechod není přiloženo vnější napětí, tloušťku asi 1 mm a nazývá se vyprázdněná oblast (oblast prostorového náboje).

Pro minoritní nosiče náboje je přechod PN otevřen a jejich průchodu potenciálová přehrada nebrání. Díry z části N a elektrony z části P tedy pronikají přes přechod a vytvářejí tak určitý, poměrně malý proud. Jejich počet je totiž při dané teplotě omezen. Svým přechodem však mají tendenci způsobit zmenšení difúzního napětí, neboť přinášejí do části N záporný náboj a do části P kladný náboj. Jakýkoliv pokles difúzního napětí je však okamžitě vyrovnán difundujícími majoritními nosiči s dostatečnou kinetickou energií. Přechod je trvale v dynamické rovnováze a difúzní napětí je při konstantní teplotě také konstantní. Proud minoritních nosičů je zcela vyrovnáván (kompenzován) proudem příslušných majoritní nosičů. Celkový náboj na obou stranách přechodu PN je konstantní.

Zdroje

• KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009

Obrázky

• Obr. 1: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Přechod PN, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
• Obr. 2: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Monokrystal s oddělenými částmi P a N (představa), Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
• Obr. 3: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Difúzní napětí, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009