1. p-n junction – a region of a homogeneous semiconductor, where two neighbouring regions are doped with different types of dopes, i.e. one half is n-type and the other half is p-type.

Pl/Złącze p-n – obszar półprzewodnika monokrystalicznego, w obrębie którego następuje skokowa zmiana typu przewodnictwa, np. z donorowego na akceptorowy .

1. Analysis of the p-n Junction - Analiza złącza p-n

• Before contact - both regions in the stable state

• At contact – transient state at the instant of junction formation

• some of the electrons near the junction diffuse from the n region to the p region

• some of the holes near the junction diffuse from the p region to the n region

• electrons and holes recombine with each other in both regions

• when the electron recombines with a hole in the n region, a donor atom is left with a net positive charge in the n region near the junction

• when the electron recombines with a hole in the p region, an acceptor atom is left with a net negative charge in the p region near the junction

• a region of spatial charge represented by the doping ions inhibits further flow of carriers

• the existence of the positive and negative ions on opposite sides of the junction creates a barrier potential, whose height is called the built-in voltage

• At equilibrium – stable state after formation of the p-n junction

Remark: Presented considerations are only of a pictorial character. In an actual junction the distance between the n-type and the p-type regions are of the interatomic order of magnitude!

Pl/

• Stan obydwu warstw półprzewodnika przed zetknięciem (stabilny)

• Tworzenie się złącza p-n (stan przejściowy)

• pewna część elektronów przechodzi
  z obszaru n do obszaru p (dyfuzja)

• pewna część dziur przechodzi
  z obszaru p do obszaru n (dyfuzja)

• w obszarze p pozostaje nadmiar nieruchomych jonów ujemnych

• w obszarze n pozostaje nadmiar nieruchomych jonów dodatnich

• wytwarza się obszar ładunku przestrzennego, hamujący dalszy przepływ nośników

• tworzy się pole elektryczne hamujące, reprezentowane przez barierę potencjałów, której wysokość nazywa się napięciem dyfuzyjnym

• Stan po utworzeniu złącza (stabilny)

Uwaga: Przedstawione rozważania mają charakter poglądowy. W rzeczywistym złączu odległość między warstwami n i p jest rzędu odległości międzyatomowych!

1. Built-in Voltage - Napięcie dyfuzyjne

The built-in voltage UD is a characteristic value for a given semiconductor:

Si: UD ≈ 0.7V

Ge: UD ≈ 0.3V

Pl/

Wysokość bariery potencjałów nazywa się napięciem dyfuzyjnym UD.

Jest to wielkość charakterystyczna dla danego rodzaju półprzewodnika:

Si: UD ≈ 0.7V

Ge: UD ≈ 0.3V

1. Energy Diagram of the p-n Junction – Assumptions - Energetyczny model pasmowy złącza p-n – zasady

• the Fermi level has the same, constant value in all the junction;

• in the electrically neutral regions (outside the depletion layer) the Fermi level remains in the same position as before, in separate p and n regions.

Pl/

• poziom Fermiego ma jedną, stałą wartość w całym obszarze złącza;

• w obszarach obojętnych elektrycznie (leżących poza warstwą zaporową) położenie poziomu Fermiego pozostaje takie, jak było w oddzielnych warstwach p, n.

1. Biasing the p-n Junction - Polaryzacja złącza p-n

• reverse bias – accordant to the built-in voltage, prevents current across the p-n junction: n(+), p(-)

• forward bias – opposite to the built-in voltage, permits current across the p-n junction: n(-), p(+)

pl/

• polaryzacja w kierunku zaporowym – zgodna z biegunowością napięcia dyfuzyjnego: n(+), p(-)

• polaryzacja w kierunku przewodzenia – przeciwna do biegunowości napięcia dyfuzyjnego: n(-), p(+)

1. Reverse Bias - Polaryzacja w kierunku zaporowym

• electrons from the n region are attracted by the positive terminal of the battery;

• holes from the p region are attracted by the negative terminal of the battery;

• as the electrons and holes move away from the junction, the depletion layer widens.

• the potential barrier height is increased by the value of the external voltage;

• the reverse bias aids the flow of a very small, minority carriers current, called the drift current. This drift current is independent of the biasing, as the number of minority carriers is independent of the biasing voltages.

/pl

• elektrony z obszaru n są przyciągane przez biegun dodatni źródła zewnętrznego;

• dziury z obszaru p są przyciągane przez biegun ujemny źródła zewnętrznego;

• warstwa zaporowa rozszerza się,
  co powoduje wzrost rezystancji wewnętrznej złącza.

• bariera potencjałów rośnie o wartość napięcia zewnętrznego;

• polaryzacja zaporowa sprzyja przepływowi bardzo niewielkiego prądu unoszenia, związanego z nośnikami mniejszościowymi, który nasyca się przy wzroście napięcia zewnętrznego.

1. Forward Bias - Polaryzacja w kierunku przewodzenia

• electrons from the n region are pushed by the negative terminal of the battery toward the junction;

• holes from the p region are pushed by the positive terminal of the battery
  toward the junction;

• as the electrons and holes compensate part of the ions charge, the depletion layer narrows.

• the potential barrier height is decreased by the value of the external voltage;

• the forward bias aids the flow of rather big, majority carriers current, called the diffusion current. This diffusion current is strongly dependent on the biasing, as the terminals of the biasing voltage continuously deliver new electrons and holes.

/pl

• elektrony z obszaru n są odpychane przez biegun ujemny źródła zewnętrznego w kierunku warstwy zaporowej;

• dziury z obszaru p są odpychane przez biegun dodatni źródła zewnętrznego
  w kierunku warstwy zaporowej;

• warstwa zaporowa zwęża się.

• bariera potencjałów maleje o wartość napięcia zewnętrznego

• polaryzacja przewodzenia sprzyja przepływowi coraz większego prądu dyfuzji, związanego z nośnikami większościowymi, który bardzo szybko narasta przy wzroście napięcia zewnętrznego

1. Breakdown of the p-n Junction - Przebicie złącza p-n

• Breakdown – rapid increase of the current under reverse bias, caused by the voltage greater than the characteristic value, called the breakdown voltage .

• Zener breakdown - electrostatic ionisation, based on breaking the covalent bonds of the semiconductor atoms by a very high strength electrostatic field across the junction, in a narrow depletion layer under the reverse bias.

Tunnelling of the electron through the bandgap, from the valence band to the conduction band without the necessity of delivering the quantum of energy greater than the bandgap.

• Zener breakdown dominates in heavily doped junctions, where the depletion layer is narrow

• Zener breakdown is characterised by a low value of the breakdown voltage, not exceeding 5V in silicon junctions

• Temperature increases in the junction decrease the Zener breakdown

/pl

• Przebicie Zenera - inaczej emisja wewnętrzna – jonizacja elektrostatyczna polegająca na wyrwaniu elektronu z wiązania kowalencyjnego atomów w sieci krystalicznej pod wpływem wielkiej wartości natężenia pola elektrycznego w cienkiej warstwie zaporowej przy polaryzacji złącza w kierunku zaporowym.

Przejście tunelowe - Przejście elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa bez konieczności posiadania energii większej niż energia bariery potencjału

• Występuje w złączach silnie domieszkowanych, o wąskiej warstwie zaporowej

• Charakteryzuje się niską wartością napięcia przebicia, nie przekraczającą 5V w złączach krzemowych