Name: p-n junction depletion region
Uploaded: 2024-07-08T13:20:08.000Z
Duration: 1 min 11 s
Channel: JoVE

Güneş enerjili sokak lambaları, güneş pilleri içinde pn bağlantıları içerdiğinden, harici bir güç kaynağına ihtiyaç duymadan bağımsız olarak çalışır.
İnce bir p-tipi silikon levhaya beş değerlikli safsızlıklar eklenerek ve bunun bir kısmı n-tipi silikona dönüştürülerek bir pn bağlantısı oluşturulur.
Silikon levhanın her iki tarafındaki yük taşıyıcıların konsantrasyon gradyanı, deliklerin p tarafından n tarafına ve elektronların n tarafından p tarafına difüzyonuna yol açarak bir difüzyon akımı oluşturur.
Kavşağa yakın bölge, tükenme bölgesini oluşturan serbest yük taşıyıcılarından yoksun hale gelir. Ayrıca, net bağlı pozitif ve negatif yükler bu bölgede kalır ve bağlantı noktası boyunca bir elektrik alanı ve potansiyel fark yaratır.
Elektrik alanı, pn bağlantısındaki azınlık taşıyıcılarını sürükler ve difüzyon akımına karşı koyan bir sürüklenme akımı üretir.
Bu elektrik alanı aynı zamanda çoğunluk taşıyıcılarının kavşak boyunca daha fazla yayılmasına da karşı çıkar.
Dengede, kavşak boyunca geçen toplam akımın büyüklüğü her iki yönde de aynıdır ve sabit Fermi enerjisi ile gösterilir.

yarı İletkenin temelleri

P-N junction

P tipi ve n tipi yarı iletken malzemeler bir araya getirildiğinde bir p-n bağlantısı oluşur. P-n bağlantısının arayüzünde, p-tarafından gelen delikler ve n-tarafından gelen elektronlar, konsantrasyon gradyanı nedeniyle karşıt taraflara yayılmaya başlar. Taşıyıcıların bu difüzyonu, tükenme bölgesi olarak bilinen, serbest yük taşıyıcılarının bulunmadığı kavşak çevresinde bir bölgeye yol açar. N tarafı ve p tarafı için tükenme bölgesindeki yük yoğunluğu aşağıdaki denklemlerle açıklanabilir:

<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/15156/15156_Equation_1.svg" style="height: 20px;">

Q'nun temel yük olduğu yerde, N_D ve N_A sırasıyla donör ve alıcı doping konsantrasyonlarıdır.

Tükenme bölgesindeki sabit yükler, n-tarafından p-tarafına doğru işaret eden ve taşıyıcıların daha fazla yayılmasına karşı çıkan bir elektrik alanı (E) oluşturur. Bu elektrik alanı, bağlantı noktası boyunca yerleşik voltaj (V_0) olarak bilinen ve şu şekilde hesaplanabilen bir potansiyel farka yol açar:

<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/15156/15156_Equation_2v2.svg" style="height: 40px;">

Burada, V_T termal voltajdır ve n_i, içsel taşıyıcı konsantrasyonudur.

Bir p-n ekleminde iki tür akım vardır: taşıyıcı difüzyondan kaynaklanan difüzyon akımı ve elektrik alanından kaynaklanan sürüklenme akımı. Dengede, difüzyon akımının büyüklüğü sürüklenme akımının büyüklüğüne eşittir ve bağlantı noktası boyunca net akım akışı olmamasına yol açar. Açık devre koşulları altında, harici akım yoktur ve tükenme katmanının yerleşik voltajı, metal-yarı iletken bağlantılarındaki temas potansiyelini dengeleyerek terminaller arasında sıfır net voltajla sonuçlanır.

Yerleşik bariyer voltajı ve tükenme bölgesinin genişliği, bağlantının davranışında kritik rol oynar. Tükenme bölgesinin genişliği bağlantının kapasitansını belirler ve bağlantının harici voltajlara nasıl tepki vereceğini etkiler.

Yarı İletkenin Temelleri

Güneş enerjili sokak lambaları, güneş pilleri içinde pn bağlantıları içerdiğinden, harici bir güç kaynağına ihtiyaç duymadan bağımsız olarak çalışır.
A ...

Education

JoVE Core

Electrical Engineering

Elektrik Mühendisliği

Unit 1

Ünite 1

Basics of Semiconductors

Yarı İletkenlerin Temelleri

KEY TERMS AND CONCEPTS

TEMEL TERİMLER VE KAVRAMLAR

p-n junction depletion region

A p-n junction forms when p-type and n-type semiconductor materials are joined together. At the boundary, holes from the p-side and electrons from the n-side diffuse into the opposite side because of the concentration gradient. This movement leaves a region with no free charge carriers near the junction, called the depletion region.

The charge density in the depletion region can be described on the n-side and p-side using the donor and acceptor doping concentrations, ND and NA. The fixed charges in this region create an electric field that points from the n-side to the p-side. That field opposes further carrier diffusion and helps set up the junction’s built-in voltage, V0.

The built-in voltage across the junction depends on the thermal voltage, VT, and the intrinsic carrier concentration, ni. A p-n junction also has two kinds of current: diffusion current from carrier movement and drift current from the electric field. At equilibrium, these currents are equal in magnitude, so there is no net current flow across the junction.

Under open-circuit conditions, no external current flows. The built-in voltage in the depletion layer balances the contact potential at the metal-semiconductor junctions, so the terminals show zero net voltage. The barrier voltage and the width of the depletion region are important because they control junction behavior and affect the capacitance and response to external voltages.

P-N Junction Depletion Region

energy bands in solids

Valence and Conduction Bands in Silicon

Valence and conduction bands explain how electrons behave in solids. In isolated atoms, electrons occupy discrete energy levels that the Bohr model describes well. The hydrogen atom, for example, has specific electron energies labeled by the quantum number n, and higher n values give levels that are less negative and closer together. When atoms move close together in a solid, those discrete levels start to split. This happens because electron orbitals from neighboring atoms overlap. The Pauli...

semiconductors

Energy Bands in Metals and Insulators

Materials conduct electricity in different ways because their energy bands are arranged differently. Metals, semiconductors, and insulators can be compared with energy band diagrams. These diagrams show how easily electrons can move when an electric field is applied. Metals such as copper, zinc, and lead have low resistivity. Their conduction band is not fully occupied, or it overlaps with the valence band, so a band gap is essentially absent. Electrons in the highest valence energy levels can...

types of semiconductors

Intrinsic and Doped Semiconductors

Intrinsic semiconductors are very pure materials with no impurities. At absolute zero, they act as perfect insulators because the valence electrons are bound and the conduction band is empty. That means electrical conduction cannot occur under those conditions. The Fermi level helps describe the chance that an energy level is occupied by an electron at thermal equilibrium. In an intrinsic semiconductor, the Fermi level sits near the middle of the band gap at absolute zero. As temperature...

carrier generation and recombination

Semiconductor Charge Carriers: Creation and Loss

Carrier generation and recombination control how free charge carriers change inside a semiconductor. Carrier generation creates electron-hole pairs, or EHPs, when electrons move from the valence band into the conduction band and leave holes behind. Carrier recombination does the opposite and lowers the number of free carriers. In direct-bandgap semiconductors such as gallium arsenide, generation happens efficiently because energy absorption can move a valence electron straight to the...

carrier transport

Drift and Diffusion in Semiconductors

Drift and diffusion are the two main ways electric current forms in semiconductors. These charge-carrier motions help determine how semiconductor devices work and how well they perform. The carriers involved are electrons and holes. Drift current begins when an external electric field acts on charge carriers. Electrons and holes move between collisions with lattice atoms, and this motion creates drift velocity. For electrons, drift velocity depends on electron mobility and the electric field...

p-n junction

A p-n junction forms when p-type and n-type semiconductor materials are joined together. At the boundary, holes from the p-side and electrons from the n-side diffuse into the opposite side because of the concentration gradient. This movement leaves a region with no free charge carriers near the junction, called the depletion region. The charge density in the depletion region can be described on the n-side and p-side using the donor and acceptor doping concentrations, ND and NA. The fixed...

biasing of p-n junction

P-N Junction Diode Under Bias

P-N junction diodes change behavior under equilibrium, forward bias, and reverse bias. In equilibrium, no external voltage is applied across the junction. Carriers diffuse at the boundary and leave behind charged dopants. Acceptors remain on the p-side, and donors remain on the n-side. These fixed charges form a depletion region and an electric field that blocks further diffusion. The band diagram at equilibrium shows the Fermi levels on both sides aligned. That alignment means the junction is...

metal-semiconductor junctions

Schottky and Ohmic Metal Contacts

Metal contacts with semiconductors can form either Schottky or Ohmic junctions. The result depends on the work function of the metal, the work function of the semiconductor, and how electrons move when the two materials touch. At equilibrium, the Fermi levels align, so charge shifts until both sides match in energy. Schottky barriers form when a metal with work function Φm contacts a semiconductor with a different work function Φs. If Φm is greater than Φs, the semiconductor Fermi level starts...

biasing of metal-semiconductor junctions

How Bias Changes Metal-Semiconductor Current

Biasing metal-semiconductor junctions means applying a voltage across the junction. The metal connects to the voltage source, and the semiconductor is grounded. This setup helps control the direction and size of current in devices such as diodes, transistors, and photovoltaic cells. In a Schottky junction with an n-type semiconductor, a positive voltage on the metal lowers its Fermi level. A Fermi level is the energy level that helps describe how electrons are distributed. Lowering this level...

fermi level

Fermi Level in Semiconductors

The Fermi level is a key energy level in semiconductors. It sits between the lower-energy valence band and the higher-energy conduction band. The Fermi-Dirac function, which follows an S-shaped curve, shows the chance that an energy state is filled by an electron at a given temperature. At absolute zero, electrons occupy every energy state up to the Fermi level. States above it stay empty. As temperature rises, electrons gain energy and can move into vacant states above the Fermi level. In an...

fermi level dynamics

Vacuum Level and Schottky Barriers

Vacuum level and Schottky barriers help explain how electrons move between materials. The vacuum level is the energy needed for an electron to escape a material surface. In a semiconductor, it usually sits above the conduction band and serves as a reference for comparing electron energy. Electron affinity is the energy gap between the conduction band minimum and the vacuum level. It shows how easily a semiconductor can accept extra electrons. The work function is the least energy needed to...

key terms and concepts

Learn how a p-n junction creates a depletion region, built-in voltage, and balance between diffusion and drift currents in semiconductor devices.

P-N Junction Depletion Region | JoVE K12

JoVE Core Elektrik Mühendisliği, devre analizi teknikleriyle birlikte elektrik devrelerinin temel kavramlarını kapsayan, anlaşılması kolay animasyonlu videolar sunar. Operasyonel amplifikatörler ve devre dönüşümü kavramlarını kullanarak birinci dereceden ve ikinci dereceden devreleri içerir. Pratik tasarım örneklerinin ve gerçek dünya uygulamalarının bilim insanlarınca hazırlanan videolar aracılığıyla dahil edilmesi, karmaşık kavramları erişilebilir hale getirerek önemli bir eğitim değeri katmaktadır.

electrical engineering

P-N Junction Depletion Region

Description

Transcript

Tags