Persimpangan P-N

Jika sebuah blok semikonduktor tipe-P ditempatkan dalam kontak dengan sebuah blok semikonduktor tipe-N pada Gambar di bawah (a), hasilnya tidak bernilai. Kami memiliki dua blok konduktif yang bersentuhan satu sama lain, tidak menunjukkan sifat unik. Masalahnya adalah dua badan kristal yang terpisah dan berbeda. Jumlah elektron seimbang dengan jumlah proton di kedua blok. Jadi, tidak ada blok yang memiliki muatan bersih.

Namun, kristal semikonduktor tunggal yang diproduksi dengan bahan tipe-P di satu ujung dan bahan tipe-N di ujung lainnya pada Gambar di bawah (b) memiliki beberapa sifat unik. Bahan tipe-P memiliki pembawa muatan mayoritas positif, lubang, yang bebas bergerak di sekitar kisi kristal. Bahan tipe-N memiliki pembawa mayoritas negatif bergerak, elektron. Di dekat persimpangan, elektron material tipe-N berdifusi melintasi persimpangan, bergabung dengan lubang pada material tipe-P. Daerah bahan tipe-P di dekat persimpangan mengambil muatan negatif bersih karena elektron tertarik. Karena elektron meninggalkan daerah tipe-N, ia mengambil muatan positif yang terlokalisasi. Lapisan tipis kisi kristal antara muatan-muatan ini telah kehabisan pembawa mayoritas, oleh karena itu, dikenal sebagai daerah penipisan . Ini menjadi bahan semikonduktor intrinsik nonkonduktif. Akibatnya, kita memiliki hampir sebuah isolator yang memisahkan daerah yang didoping P dan N konduktif.

(a) Blok semikonduktor P dan N yang bersentuhan tidak memiliki sifat yang dapat dieksploitasi. (b) Kristal tunggal yang didoping dengan pengotor tipe P dan N mengembangkan penghalang potensial.

Pemisahan muatan di persimpangan PN ini merupakan penghalang potensial. Penghalang potensial ini harus diatasi oleh sumber tegangan eksternal untuk membuat sambungan berjalan. Pembentukan persimpangan dan penghalang potensial terjadi selama proses manufaktur. Besarnya hambatan potensial adalah fungsi dari bahan yang digunakan dalam pembuatan. Sambungan PN silikon memiliki penghalang potensial yang lebih tinggi daripada sambungan germanium.

Bias Persimpangan PN

Pada Gambar di bawah (a) baterai diatur sedemikian rupa sehingga terminal negatif memasok elektron ke bahan tipe-N. Elektron ini berdifusi menuju persimpangan. Terminal positif menghilangkan elektron dari semikonduktor tipe-P, menciptakan lubang yang berdifusi menuju persimpangan. Jika tegangan baterai cukup besar untuk mengatasi potensial sambungan (0,6V dalam Si), elektron tipe-N dan lubang-P bergabung untuk saling menghancurkan. Ini membebaskan ruang di dalam kisi untuk lebih banyak pembawa mengalir menuju persimpangan. Dengan demikian, arus pembawa mayoritas tipe-N dan tipe-P mengalir menuju persimpangan. Rekombinasi di persimpangan memungkinkan arus baterai mengalir melalui dioda sambungan PN. Persimpangan seperti itu dikatakan bias maju .

(a) Bias baterai maju menolak pembawa menuju persimpangan, di mana rekombinasi menghasilkan arus baterai. (b) Bias baterai terbalik menarik pembawa ke terminal baterai, menjauh dari sambungan. Ketebalan daerah penipisan meningkat. Tidak ada aliran arus baterai yang berkelanjutan.

Jika polaritas baterai dibalik seperti pada Gambar di atas (b) sebagian besar pembawa ditarik menjauh dari sambungan menuju terminal baterai. Terminal baterai positif menarik pembawa mayoritas tipe-N, elektron, menjauh dari sambungan. Terminal negatif menarik pembawa mayoritas tipe-P, lubang, menjauh dari persimpangan. Hal ini meningkatkan ketebalan daerah penipisan nonkonduktor. Tidak ada rekombinasi pembawa mayoritas; dengan demikian, tidak ada konduksi. Susunan polaritas baterai ini disebut bias mundur .

Dioda

Simbol skema dioda diilustrasikan pada Gambar di bawah (b) sesuai dengan batang semikonduktor yang didoping di (a). Dioda adalah searah perangkat. Arus hanya mengalir dalam satu arah, Di samping panah, sesuai dengan bias maju. Katoda, batang, dari simbol dioda, sesuai dengan semikonduktor tipe-N. Anoda, panah, sesuai dengan semikonduktor tipe-P. Untuk mengingat hubungan ini, N ot-pointing (bar) pada simbol sesuai dengan N -jenis semikonduktor. P urapan (panah) sesuai dengan P -jenis.

(a) Sambungan PN bias maju, (b) Simbol skema dioda yang sesuai (c) Kurva karakteristik Silicon Diode I vs V.

Jika dioda dibias maju seperti pada Gambar di atas (a), arus akan sedikit meningkat seiring dengan peningkatan tegangan dari 0 V. Dalam kasus dioda silikon, arus terukur mengalir ketika tegangan mendekati 0,6 V pada Gambar di atas (c ). Ketika tegangan meningkat melewati 0,6 V, arus meningkat jauh setelah lutut. Meningkatkan tegangan jauh melampaui 0,7 V dapat menghasilkan arus yang cukup tinggi untuk menghancurkan dioda. Tegangan maju, VF, adalah karakteristik semikonduktor:0,6 hingga 0,7 V untuk silikon, 0,2 V untuk germanium, beberapa volt untuk Light Emitting Diodes (LED). Arus maju berkisar dari beberapa mA untuk dioda kontak titik hingga 100 mA untuk dioda sinyal kecil hingga puluhan atau ribuan ampere untuk dioda daya.

Jika dioda dibias balik, hanya arus bocor dari semikonduktor intrinsik yang mengalir. Ini diplot di sebelah kiri titik asal pada Gambar di atas (c). Arus ini hanya akan setinggi 1 A untuk kondisi paling ekstrim untuk dioda sinyal kecil silikon. Arus ini tidak meningkat cukup dengan meningkatnya bias balik sampai dioda rusak. Pada gangguan, arus meningkat begitu besar sehingga dioda akan hancur kecuali jika resistansi seri tinggi membatasi arus. Kami biasanya memilih dioda dengan peringkat tegangan balik yang lebih tinggi daripada tegangan yang diberikan untuk mencegah hal ini. Dioda silikon biasanya tersedia dengan peringkat pemecahan terbalik 50, 100, 200, 400, 800 V dan lebih tinggi. Dioda dapat dibuat dengan tegangan beberapa volt yang lebih rendah untuk digunakan sebagai standar tegangan.

Kami sebelumnya menyebutkan bahwa arus bocor terbalik di bawah A untuk dioda silikon disebabkan oleh konduksi semikonduktor intrinsik. Inilah kebocoran yang bisa dijelaskan secara teori. Energi panas menghasilkan beberapa pasangan lubang elektron, yang menghantarkan arus bocor hingga rekombinasi. Dalam praktik sebenarnya, arus yang dapat diprediksi ini hanya sebagian dari arus bocor. Sebagian besar arus bocor disebabkan oleh konduksi permukaan, terkait dengan kurangnya kebersihan permukaan semikonduktor. Kedua arus bocor meningkat dengan meningkatnya suhu, mendekati A untuk dioda silikon kecil.

Untuk germanium, arus bocor lebih tinggi. Karena semikonduktor germanium jarang digunakan saat ini, hal ini tidak menjadi masalah dalam praktiknya.

TINJAUAN:

• Sambungan PN dibuat dari sepotong semikonduktor monokristalin dengan wilayah tipe-P dan tipe-N yang berdekatan di persimpangan.
• Transfer elektron dari sisi N sambungan ke lubang yang dimusnahkan di sisi P sambungan menghasilkan tegangan penghalang. Ini adalah 0,6 hingga 0,7 V dalam silikon dan bervariasi dengan semikonduktor lainnya.
• Persimpangan PN yang dibias maju menghantarkan arus setelah tegangan penghalang diatasi. Potensi eksternal yang diterapkan memaksa pembawa mayoritas menuju persimpangan tempat rekombinasi terjadi, memungkinkan aliran arus.
• Persimpangan PN dengan bias mundur hampir tidak menghantarkan arus. Bias balik yang diterapkan menarik pembawa mayoritas menjauh dari persimpangan. Hal ini meningkatkan ketebalan daerah penipisan nonkonduktor.
• Sambungan PN dengan bias terbalik menunjukkan arus bocor terbalik yang bergantung pada suhu. Ini kurang dari A dalam dioda silikon kecil.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja PN Junctions
• Lembar Kerja Konduksi Listrik pada Semikonduktor