PN spoj

1. PN spoj • PN spoj je jednostavno spoj P i N tipa poluvodiča • Oko samog područja kontakta različitih poluvodiča formira se električno polje tijekom procesa formiranja PN spoja • Na ovo električno polje se može utjecati vanjskim el. poljem, ako se na PN spoj dovede vanjski napon • Ovo rezultira u specifičnom ponašanju PN spoja – iznos struje kroz PN spoj ne zavisi samo o iznosu priključenog napona, nego jako zavisi i o POLARIZACIJI, tj. na koji izvod se priključi “+”, a gdje “-”. Drugim riječima, iznos struje koja teče kroz PN spoj se jako mijenja zavisno o smijeru struje. Efektivno, PN spoj se ponaša kao ventil za struju (jako dobro propušta struju u jednom smijeru, a jako loše u suprotnom) Prvo pogledajmo proces formiranja PN spoja →

2. PN spoj - formiranje • Spajanje (stvarno, tehnološki se ovo ne radi jednostavnim spajanjem) P i N tipa poluvodiča izaziva vrlo jaku difuziju većinskih nositelja na suprotnu “stranu” spoja (sa P na N stranu i obrnuto). • Difuzija je proces prijelaza pokretnih naboja (u ovom slučaju, no u prirodi se općenito javlja i za bilo što drugo što je pokretno) koji nastaje kao posljedica razlike u koncentracijama na različitim mjestima. Naboji će se kretati od mjesta veće koncentracije ka mjestu manje koncentracije. Difuzija je to “jača” što je razlika u koncentracijama veća i što su mjesta sa različitim koncentracijama bliža. • Difuzija će postojati sve dok postoji razlika u koncentracijama; međutim, kako naboji prelaze sa jednog mjesta na drugo, razlika koncentracija se smanjuje, pa je difuzija sve slabija. Proces difuzije potpuno prestaje kada se koncentracije izjednače ili ako se nekim vanjskim mehanizmom spriječi daljnje kretanje • Ako na neki način “spojimo” N tip (velika koncentracija elektrona) sa P tipom (vrlo malo elektrona) poluvodiča, elektroni se difuzno počinju kretati sa N strane na P stranu. Usporedno s ovim, i šupljine se difuzno kreću sa P (visoka koncentracija šupljina)na N stranu (vrlo niska koncentracija šupljina) • Zaključimo: nakon “spajanja” P i N tipa poluvodiča prvi efekt koji se javlja su difuzna kretanja većinskih nositelja

3. PN spoj - formiranje • Međutim, odmah nakon prijelaza većinskih nositelja na suprotnu stranu, oni nailaze na veliku koncentraciju nositelja suprotnog predznaka. • Kada se “susretnu” suprotni nositelji (elektron i šupljina), oni se rekombiniraju: elektron popuni šupljinu i oboje prestaju postojati kao slobodni nositelji. • Rezultat ovoga je da će i s jedne i s druge strane oko područja kontakta nastati zona u kojoj je znatno smanjena koncentracija slobodnih nositelja naboja (aproksimacijski se može uzeti da u ovom području uopće nema nositelja naboja, tj. da su se svi rekombinirali). Ovo područje se stoga zove osiromašeno područje (zona) (“siromašno” je slobodnim nositeljima naboja). Osiromašeno područje ne mora biti simetrično oko kontakta – obrnuto je proporcionalno koncentracijama nečistoća (više onečišćena strana ima uže osiromašeno područje). • U osiromašenom području ostaju samo nepokretni atomi poluvodiča (električno neutralni, pa su nebitni), no i ioni primjesa. • Ioni primjesa više nemaju slobodne nositelje koji bi neutralizirali djelovanje njihovog naboja, tako da možemo reći da u osiromašenom području od naboja ostaju samo nepokretni (jer su vezani u kristalnoj rešetci) ioni primjesa i to na način da u N strani imamo + donorske ione, a P strani – akceptorske ione. • Drugim riječima, u N strani oko kontakta imamo tanki “film” + naboja, a u P strani tanki “film” – naboja. Između ovih naboja formira se el.polje: polje kontakta EK

4. PN spoj- formiranje Slobodni elektroni i šupljine ne postoje u području odmah oko kontakta (rekombinirali su se). U ovom području postoje ostaju samo donorski i akceptorski ioni, između kojih se formira EK Slobodni elektroni Šupljine Pozitivni donorski ioni Negativni akceptorski ioni Grafički prikaz iznosa prostorne raspodjele naboja i električnog polja u osiromašenom području

5. PN spoj- formiranje EK odbija sl.elektrone (vraća natrag u N stranu)i šupljine (koje vraća natrag u P stranu) • Polje kontakta EK sada djeluje na način da odbija natrag većinske nositelje(promotriti što se događa sa elektronom, a što sa šupljinom kada se nađe unutar EK) koji difuzno žele prijeći na drugu stranu • Difuzija većinskih slobodnih nositelja se nastavlja, ali slabije (jer dio slobodnih nositelja ne uspijeva savladati malo polje kontakta EK) • No, kako se difuzija nastavlja, osiromašeno područje se proširi, pa se količina naboja unutar osiromašenog područja poveća – rezultat: daljnje povećanje EK • Posljedica ovoga: difuzija još dodatno oslabi, no sve dok postoji, EK raste i sve manje i manje većinskih nositelja uspijeva savladati EK i difundirati na suprotnu stranu • Konačno, EK poraste toliko da gotovo potpuno zaustavi difuziju: PN spoj je formiran Zašto “gotovo”, a ne potpuno? Pogledajmo što se događa sa manjinskim nositeljima…

6. PN spoj- formiranje EK ubrzava (“potiče”)manjinske nositelje u prijelazu na suprotnu stranu • Dosadašnje razmatranje odnosilo se samo na većinske nositelje. • Što je sa manjinskim nositeljima (sl. elektronima u P strani i šupljinama u N strani)? • Za manjinske nositelje EKne predstavlja barijeru – dapače, potiče ih u prijelazu na suprotnu stranu • Svaki put kada manjinski nositelj prijeđe na suprotnu stranu, malo se poveća koncentracija većinskih na suprotnoj strani (jer su oni u suprotnoj strani većinski), pa se difuzija malo poveća • Stoga nakon formiranja PN spoja postoji vrlo mala difuzija većinskih nositelja (kao “reakcija” na vrlo malu struju manjinskih koji slobodno prolaze kroz EK) koja točno poništava kretanje manjinskih nositelja. • Dakle, ukupna struja nakon formiranja PN spoja je 0.

7. PN spoj– pod djelovanjem vanjskog napona • Pod vanjskim naponom PN spoj se ponaša različito zavisno o polarizaciji – “ispravljački efekt” • Zavisno polarizaciji, vanjski napon može smanjiti ili povećati polje kontakta: • Propusna polarizacija (viši potencijal (+) spojen na P stranu, niži potencijal (-) na N stranu) smanjuje polje kontakta → osiromašeno područje postaje uže → većinski nosioci lakše prolaze (povećanje difuzne struje ID) • Nepropusna (zaporna) polarizacija (obrnuto) povećava polje kontakta → osiromašeno područje se proširi→ većinski nosioci ne prolaze (difuzna struja pada na nulu, ID=0) → prolaze samo manjinski nosioci, koji čine malu struju zasićenja (saturacije) IS

8. PN spoj – propusna polarizacija • Ako je PN spoj priključen na napon na način da je P strana na većem potencijalu od N strane, el. polje nastalo kao posljedica vanjskog napona, smanjuje djelovanje polja kontakta, osiromašeno područje se sužava i difuzna struja većinskih nositelja ID postaje značajna. • Ukupna struja je umanjena za struju manjinskih nositelja – struju zasićenja (saturacije) IS (koji se kreću suprotno od difuznog kretanja većinskih). Međutim IS je bitno manja od ID, pa se često može zanemariti, tj. uzeti da ukupnu struju čini samo difuzno kretanje većinskih nositelja. • Može se reći da PN spoj za ovakvu polarizaciju ima vrlo mali otpor (lako “propušta” struju). No konkretan iznos ovog otpora nije konstantan – jako zavisi o iznosu napona propusne polarizacije. • Iznos struje je za male napone propusne polarizacije vrlo malen (PN spoj ima vrlo velik “otpor”), no ako se napon povećava, struja raste eksponencijalnom brzinom. Drugim riječima, struja kroz PN spoj se nelinearno povećava sa rastom iznosa napona propusne polarizacije. Ova ovisnost struje o naponu se grafički prikazuje tzv. UI (strujno-naponskom) karakteristikom - o ovome više kasnije.

9. PN spoj – nepropusna (zaporna, reverzna) polarizacija • Ako je PN spoj priključen na napon na način da je P strana na manjem potencijalu od N strane, el. polje nastao kao posljedica vanjskog napona, još povećava djelovanje polja kontakta, osiromašeno područje se dodatno širi i difuzna struja većinskih nositelja ID više ne postoji! • Ukupna struja se stoga sastoji samo od kretanja manjinskih nositelja (struja zasićenja (saturacije) ili reverzna struja IS), koje polje kontakta još i potiče u prijelazu s jedne strane na drugu. Međutim, koncentracije manjinskih nositelja su vrlo male, tako da je reverzna struja vrlo mala (često se uzima da je 0). Drugim riječima, otpor PN spoja u zapornoj polarizaciji je vrlo velik (gotovo beskonačan). • Ako se promatra kako se reverzna struja mijenja sa iznosom napona reverzne polarizacije, može se uočiti da, bez obzira na iznos napona reverzne polarizacije, struja ostaje ista (najčešće zanemarivo mala). Razlog ovome je što se vrlo mali broj dostupnih manjinskih nositelja naboja kompletno “iscrpi” već za male napone reverzne polarizacije, pa daljnje povećanje napona ne povećava njihov broj – struja ostaje ista bez obzira na iznos napona. • No, ako se poveća temperatura T, broj parova elektron-šupljina koji se generiraju (podsjetimo se, kao posljedica prekida kovalentnih veza) se povećava. Drugim riječima, koncentracije manjinskih nositelja se povećavaju sa T, pa je samim tim i struja reverzne polarizacije jako ovisna o T.

10. Poluvodička dioda • Poluv. dioda je u stvari PN spoj sa priključcima (+: Anoda, -: Katoda) • Ako je potencijal anode veći od katode, dioda je propusno polarizirana (kažemo da “vodi”), u obrnutom slučaju je nepropusno polarizirana (“ne vodi”) • S obzirom na ovo, dioda se može shvatiti kao “ventil” za struju – propušta struju samo u jednom smijeru (od anode prema katodi) Simboli poluvodičke diode Propusno polarizirana dioda “dobro” propušta struju – gotovo čitav napon baterije UB je na otporniku R (gotovo kao da diode ni nema) Nepropusno polarizirana dioda “vrlo loše” propušta struju – struja I je zanemarivo mala (I=struji zasićenja ili saturacije IS )– pad napona na R je stoga zanemarivo mali (ima vrlo malu negativnu vrijednost → graf).

11. Poluvodička dioda - ispravljanje • Ako se poluv. dioda spoji na izmjenični izvor (stalno se polarizacija diode mijenja), izmjenični napon se može ispraviti, tj. dobiti samo jedna polarizacija. Drugim riječima može se postići da struja teče samo u jednom smijeru, ne i u suprotnom smijeru. • Za vrijeme pozitivne poluperiode dioda je propusno polarizirana i ponaša se gotovo kao kratki spoj – pruža mali otpor tijeku struje • Za vrijeme negativne poluperiode, struja neće moći teći u suprotnom smijeru (dioda je nepropusno polarizirana i gotovo da uopće ne “propušta“ struju, ponaša se gotovo kao otvoreni krug (“prekid”) – vrlo veliki otpor), tj. kroz diodu imamo zanemarivo malu (negativnu) struju manjinskih nositelja • Krajnji rezultat: od izmjeničnog napona na izvoru, pomoću diode smo na potrošaču dobili istosmjeran (ali i vremenski promjenjiv po iznosu) napon. Ovaj najjednostavniji sklop za ispravljanje zove se poluvalni ispravljač.

12. Poluvodička dioda – UI karakteristika • UI karakteristika pokazuje ovisnost struje o naponu na diodi – za diodu vrlo nelinearno • Propusna polarizacija- Shockley-eva jednadžba: • Nepropusna polarizacija – reverzna struja zasićenja: • Dioda počinje značajnije “voditi” pri naponu koljena (za Si tipično 0.7V). Često se uzima da za manje napona uopće ne vodi. OBAVEZNO ZAPAMTITI

13. Poluvodička dioda – aproksimacije UI karakteristike • UI karakteristika – aproksimacije (bitno!) Gruba aproksimacija (dioda kao sklopka, zavisno o polarizaciji) • Propusna polarizacija (anoda pozitivnija od katode) – dioda je zatvorena sklopka ili kratki spoj (KS) • Nepropusna polarizacija (anoda negativnija od katode) – dioda je otvorena sklopka ili otvoreni krug (OK) • (često se zove još i • REVERZNA ili ZAPORNA polarizacija) Propusna polarizacija (A+, K-) ; dioda=KS Nepropusna polarizacija (A-, K+) ; dioda=OK

14. Poluvodička dioda– aproksimacije UI karakteristike • UI karakteristika – aproksimacije (bitno!) Točnija aproksimacija (dioda kao sklopka, zavisno o polarizaciji no i naponu koljena) – najčešće korištena • Propusna polarizacija (anoda pozitivnija od katode za ) – dioda je zatvorena sklopka (ili kratki spoj) • Nepropusna polarizacija (anoda negativnija od katode ilipozitivnija no za manje od ) – dioda je otvorena sklopka (ili otvoreni krug)

15. Poluvodička dioda – neki tipovi dioda • Osim dioda koje se koriste za ispravljanje, postoje i drugi tipovi dioda, npr: • Zener diode - kod stabilizatora napona • Tunel diode (Esaki) – kod oscilatora • Diode s površinskom barijerom (Schottky) – brze, nizak napon koljena • LED – kao svjetlosni indikatori