PN sandūra
PN sandūra
Pagrindinis daugumos puslaidininkinių komponentų elementas yra PN sandūra, kuri sudaroma sulietus P ir N legiruotas sritis. P srityje vyrauja teigiami krūvininkai – skylės, ir jos šioje srityje yra pagrindiniai krūvininkai. N srityje vyrauja neigiami krūvininkai – elektronai. Jei tokios dvi P ir N legiruotos sritys yra suliečiamos, tokia struktūra vadinama PN dariniu, o pereinamojo sluoksnio sritis tarp dviejų legiruotų sričių vadinama PN sandūra (1 pav.).
1 pav. PN darinio struktūra
PN sandūros būna staigios arba tolydžios, simetrinės arba nesimetrinės. Staigioje sandūroje priemaišų tankis kinta šuoliu, tolydžioje – palaipsniui. Simetrinės PN sandūros P srityje akceptorinių priemaišų tankis yra toks pat kaip donorinių priemaišų tankis N srityje. Nesimetrinėje PN sandūroje priemaišų tankiai skirtingi.
PN sandūra nesant išorinės įtampos
Abiejose PN darinio pusėse koncentruojasi atitinkami krūvininkai. N srityje vyrauja laisvieji elektronai, P srityje – laisvosios skylės. Tarp priešingai legiruotų sričių susidaro tankių skirtumas. Dėl šiluminio krūvininkų judėjimo abiejų puslaidininkių laisvieji krūvininkai siekia tą tankių skirtumą išlyginti. Laisvieji elektronai juda į P sritį. Ten susiduria su skylėmis ir vyksta krūvininkų rekombinacija. Iš P srities laisvieji krūvininkai skylės keliauja į N sritį, ten susiduria su laisvaisiais krūvininkais elektronais ir su jais rekombinuoja.
Elektronas, palikęs N sritį, perneša į P sritį savo neigiama krūvį o N srityje lieka nekompensuotas teigiamas jonas; ten, kur elektronas rekombinuoja iš neutralaus akceptorinio atomo, susidaro neigiamai įkrautas jonas. Dėl krūvininkų persikėlimo iš vienos srities į kitą ribinėje PN darinio srityje susiformuoja elektrinis laukas. Šis laukas tampa tuo stipresnis, kuo daugiau krūvininkų rekombinuoja. Šis susiformavęs laukas daro vis didesnį poveikį – vis labiau priešinasi tolesniam krūvininkų difundavimui – laukui vis stiprėjant, krūvininkams reikia didesnės energijos pereiti į priešingą PN darinio sritį. Nesant išorinio poveikio, pvz., aukštesnės aplinkos temperatūros ar išorinės įtampos, šis procesas nusistovi.
Dėl krūvininkų tankio gradiento ir elektrinio lauko per PN sandūrą teka difuziniai ir dreifiniai krūvininkų srautai. Elektros srovę per PN sandūrą sudaro keturios dedamosios: skylinė difuzinė srovė ipD, skylinė dreifinė srovė ipE, elektroninė difuzinė srovė inD ir elektroninė dreifinė srovė inE. Difuzinė ir dreifinė srovės kompensuoja viena kitą todėl per PN sandūrą srovė neteka:
i = iD+iE =inD+ipD+inE+ipE =0.
Ribinėje PN darinio srityje susiformuoja erdvinio krūvio sritis: teigiamas erdvinis krūvis N srityje ir neigiamas erdvinis krūvis P srityje. Šios srities elektronai negali pereiti, todėl jokios rekombinacijos nėra. Dėl difuzijos susidaro įtampos barjeras. Dėl krūvio persiskirstymo susidaręs potencialų skirtumas vadinamas difuzine įtampa arba kontaktiniu (sandūriniu) potencialų skirtumu.
Tarp P ir N sričių susidaro mažesnio laisvųjų krūvininkų tankio sritis, vadinama erdvinio krūvio sritimi. Erdvinio krūvio sritis priklauso nuo puslaidininkio sričių legiruotumo ir yra apie 1 μm pločio. Ši sritis veikia kaip izoliatorius, nes joje beveik nėra jokių laisvųjų krūvininkų, todėl ji vadinama užtvariniu sluoksniu. Šiame sluoksnyje yra sukauptas nekompensuotų jonizuotų priemaišų atomų krūvis.
Ribinio sluoksnio srityje krūvius galima palyginti su plokščiuoju kondensatoriumi. Lygiai taip pat kaip tarp įkrauto kondensatoriaus plokštelių egzistuoja elektrinis laukas, kuris priklauso nuo užtvarinio sluoksnio pločio. Šiuo atveju kalbama apie užtvarinio sluoksnio talpą. Ši užtvarinio sluoksnio talpa naudojama varikapuose.