Ηλεκτρονικά Βασικά: PN Junctions

Από μόνα τους, οι ημιαγωγοί τύπου P (θετικά φορτισμένοι) και N (αρνητικά φορτισμένοι) είναι απλά αγωγοί. Αλλά εάν τα βάζετε μαζί σε ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα, δημιουργείτε μια διασταύρωση pn και συμβαίνει ένα ενδιαφέρον και πολύ χρήσιμο πράγμα: Το ρεύμα μπορεί να ρέει μέσω της διακλάδωσης pn , αλλά μόνο προς μία κατεύθυνση.

Εάν τοποθετήσετε θετική τάση στην πλευρά p της διακλάδωσης και αρνητική τάση στην πλευρά n, ρεύμα ρέει μέσω της διασταύρωσης. Αλλά αν αντιστρέψετε την τάση, βάζοντας αρνητική τάση στην πλευρά p και θετική τάση στην πλευρά n, το ρεύμα δεν ρέει.

Φανταστείτε μια πύλη περιστροφής όπως οι πύλες που πρέπει να περάσετε για να μπει σε ένα στάδιο του μπέιζμπολ ή ένα σταθμό του μετρό: Μπορείτε να περπατήσετε μέσα από την πύλη σε μια κατεύθυνση αλλά όχι την άλλη. Αυτό είναι ουσιαστικά αυτό που κάνει μια διασταύρωση p-n. Επιτρέπει το ρεύμα να ρέει με έναν τρόπο αλλά όχι το άλλο.

Για να κατανοήσουμε γιατί οι διασταυρώσεις p-n επιτρέπουν τη ροή ρεύματος μόνο σε μία κατεύθυνση, πρέπει πρώτα να καταλάβετε τι συμβαίνει ακριβώς στο όριο μεταξύ του υλικού τύπου ρ και του υλικού τύπου ν. Επειδή τα αντίθετα φορτία προσελκύουν, τα επιπλέον ηλεκτρόνια στην πλευρά του τύπου n της διασταύρωσης έλκονται από τις οπές στην πλευρά τύπου ρ. Έτσι αρχίζουν να μετακινούνται προς την άλλη πλευρά.

Όταν ένα ηλεκτρόνιο φεύγει από την πλευρά τύπου n για να γεμίσει μια οπή στην πλευρά τύπου p, υπάρχει μια οπή στην πλευρά τύπου η όπου υπήρχε το ηλεκτρόνιο. Έτσι, είναι σαν το ηλεκτρόνιο και το χώρο των τρυπών. Το όριο μιας διακλάδωσης p-n καταλήγει να γεμίζει από τους αποδιαμορφωτές: Ηλεκτρόνια και τρύπες έχουν διασχίσει το όριο και βρίσκονται τώρα στη λάθος πλευρά της διασταύρωσης.

Αυτή η περιοχή που καταλαμβάνεται από ηλεκτρόνια και τρύπες που έχουν διασχίσει ονομάζεται ζώνη εξάντλησης . Επειδή η μία πλευρά της ζώνης εξάντλησης έχει ηλεκτρόνια (αρνητικά φορτία) και η άλλη πλευρά έχει οπές (θετικές φορτίσεις), υπάρχει τάση μεταξύ των δύο άκρων της ζώνης εξάντλησης.

Αυτή η τάση έχει μια ενδιαφέρουσα επίδραση στους απολυμαντές: τους προκαλεί να γυρίσουν και να γυρίσουν σπίτι. Με άλλα λόγια, οι τρύπες που έχουν πηδήσει στην αρνητική πλευρά της διασταύρωσης προσελκύουν τα ηλεκτρόνια που έχουν πηδήσει στη θετική πλευρά.

Φανταστείτε πώς είναι να είναι ένα ηλεκτρόνιο που έχει πηδήσει πάνω από το όριο και στην πλευρά τύπου p της διασταύρωσης. Όντας αρνητικά φορτισμένο, σας προσελκύεται να μετακινηθείτε περισσότερο στην πλευρά p από τις θετικά φορτισμένες τρύπες που βλέπετε μπροστά σας.

Αλλά είστε επίσης ελκυσμένοι από τις θετικά φορτισμένες τρύπες που βρίσκονται τώρα πίσω σας - την ίδια ακριβώς τρύπα που εμπορεύεστε θέσεις με τώρα ασκεί μια έλξη σε σας που σας αποθαρρύνει να προχωρήσετε περαιτέρω.

Δεν μπορείτε να αποφασίσετε, αποφασίζετε να μείνετε μόνος σας. Αυτό ακριβώς συμβαίνει με τα ηλεκτρόνια και τις τρύπες που έχουν περάσει στην άλλη πλευρά. Η ζώνη εξάντλησης γίνεται σταθερή - μια κατάσταση που ονομάζεται ισορροπία .

Τώρα εξετάστε τι συμβαίνει όταν η ισορροπία διαταράσσεται από μια τάση που τοποθετείται στην διακλάδωση p-n. Το αποτέλεσμα εξαρτάται από την κατεύθυνση στην οποία εφαρμόζεται η τάση ως εξής:

• Αν εφαρμόσετε θετική τάση στην πλευρά τύπου p και αρνητική τάση στην πλευρά τύπου n, η ζώνη εξάντλησης ωθείται και από τις δύο πλευρές προς το κέντρο, κάνοντάς το μικρότερο. Τα ηλεκτρόνια στην πλευρά τύπου n της διασταύρωσης ωθούνται από την τάση προς τη ζώνη εξάντλησης και τελικά καταρρέουν πλήρως. Όταν συμβαίνει αυτό, η σύνδεση p-n γίνεται αγωγός και το ρεύμα ρέει.

• Όταν εφαρμόζεται τάση προς την αντίθετη κατεύθυνση, η ζώνη εξάντλησης τραβιέται και από τις δύο πλευρές της διασταύρωσης και έτσι επεκτείνεται. Όσο μεγαλύτερο γίνεται, τόσο περισσότερο μονωτικό γίνεται η διασταύρωση p-n. Έτσι, όταν εφαρμόζεται τάση προς την αντίθετη κατεύθυνση, το ρεύμα δεν ρέει μέσω της διακλάδωσης.