PN spoj
PN spoj je fizički jedinstven komad poluprovodnika u koji su, na jednom kraju kontrolisano ubačene primese P–tipa, a na drugom kraju primese N-tipa. Ovaj poluprovodnički kristal čini jedinstvenu, neprekidnu celinu, gde je i na prelazu sačuvan kontinuitet kristalne rešetke i predstavlja PN spoj. U ovom kristalu jedan deo je poluprovodnik P tipa, a drugi poluprovodnik N tipa i zato je u njemu neravnomerna raspodela primesa, odnosno neravnomerna (nehomogena) raspodela nosilaca naelektrisanja.[1]
PN spoj je osnovni gradivni deo od koga zavisi rad svih poluprovodničkih uređaja, a najprostiji element je dioda koja ima samo jedan PN spoj.
Zbog razlike u koncentracijama poteći će difuziona struja u tom poluprovodniku. Šupljine koje se nalaze u ogromnom broju u P oblasti poluprovodnika, difuziono će se kretati ka N oblasti, gde je njihova koncentracija zanemarljivo mala. Elektroni će se, iz istih razloga, difuziono kretati iz N ka P oblasti poluprovodnika. Kada šupljine uđu u N oblast, doći će do rekombinacije velikog broja tih šupljina sa slobodnim elektronima koji se tamo nalaze. Zato u N delu oblasti koji se nalazi neposredno do P oblasti nema slobodnih elektrona (iščezli su rekombinacijom), pa se tu nalaze nekompenzovani, nepokretni, pozitivno naelektrisani joni donora. Zbog tih jona narušena je električna neutralnost i taj deo N oblasti, neposredno do P oblasti je pozitivno naelektrisan. Elektroni difunduju iz N oblasti u P oblast, tu se iza granice spoja rekombinuju sa slobodnim šupljinama i uzrokuju stvaranje negativno naelektrisane oblasti u kojoj se nalaze nekompenzovani joni. Nekompenzovani negativno naelektrisani joni akceptora i nekompenzovani pozitivno naelektrisani joni donora čine prostorno naelektrisanje ili prostorni tovar, pa se oblast u kojoj se oni nalaze naziva oblast prostornog tovara – OPT (ili prelazna ili osiromašena oblast – nema slobodnih nosilaca; ili zaprečni sloj).
Na granici spoja narušena je električna neutralnost, pa u P području postoji negativno, a u N području pozitivno prostorno naelektrisanje. (Širina OPT iznosi oko 1 μm) Kao rezultat delovanja dva po znaku suprotna naelektrisanja, na spoju će se javiti električno polje usmereno od sloja sa pozitivnim ka sloju sa negativnim prostornim naelektrisanjem. Električno polje postoji samo u OPT. Električno polje u OPT stvara potencijalnu barijeru (kontaktnu razliku potencijala) između P i N područja, koja nastoji da vrati elektrone u N i šupljine u P područje. Dejstvo električnog polja je suprotno od difuzionog kretanja slobodnih nosilaca naelektrisanja (sprečava difuziju glavnih nosilaca nakon uspostavljanja ravnotežnog stanja). U ravnoteži se difuziono kretanje (struja većinskih nosilaca) i kretanje pod uticajem električnog polja (manjinska struja) izjednačuju, tako da nema struje kroz poluprovodnik. Sama po sebi, difuzija bi se nastavila dok se koncentracije elektrona i šupljina ne izjednače. Međutim, formirani prostorni tovar svojim električnim poljem teži da zaustavi proces difuzije koja ga je stvorila. Tako se dolazi u ravnotežu gde je veličina OPT konstantna. To je dinamička ravnoteža: neke valentne veze se raskidaju, nove se uspostavljaju, a statistička srednja vrednost zapreminske gustine nekompenzovanog donorskog i akceptorskog opterećenja ostaje konstantna. Potencijalna razlika nastala na mestu nehomogenosti materijala ili na kontaktu dva različita materijala zove se kontaktna razlika potencijala.[1]
Pod polarizacijom PN spoja se podrazumeva njegovo priključenje u električno kolo sa jednosmernim izvorom. Direktno polarisan PN spoj je onaj kod koga je P oblast priključena na pozitivan pol spoljašnjeg izvora (baterije), a N oblast na negativan pol. Struja počinje da teče kroz PN spoj kad spolja priključeni napon postane viši od napona potencijalne barijere. Priključeni napon smanjuje potencijalnu barijeru, tako narušavajući ravnotežno stanje između difuzije i drifta nosilaca preko spoja. Zbog manje razlike potencijala na spoju šupljine se lakše difuziono kreću iz P ka N oblasti. Usled smanjene barijere difuziona struja kroz PN spoj postaje veća od driftovske i kroz PN spoj će proticati struja.