รอยต่อ p-n

รอยต่อ p-n (อังกฤษ: p-n junction) คือ บริเวณขอบเขตแดนหรือรอยเชื่อมต่อระหว่างสารกึ่งตัวนำสองประเภท ได้แก่สารแบบ p-type และแบบ n-type ภายในผลึกกึ่งตัวนำเดี่ยว รอยต่อ p-n นี้จะถูกสร้างขึ้นโดยการโด๊ป ด้วยวิธีการเช่นการปลูกไอออน หรือด้วยแพร่กระจายของสารเจือปน หรือด้วยการ epitaxy (การปลูกผลึกหนึ่งชั้นที่ถูกโด๊ปด้วย สารเจือปนประเภทหนึ่งบนด้านบนของชั้นผลึกที่ถูกโด๊ปด้วยสารเจือปนอีกประเภทหนึ่ง) ถ้าวัสดุที่เป็นรอยต่อนี้ถูกทำเป็นสองชิ้นแยกจากกัน รอยต่อนี้จะเป็นขอบเขตระหว่างสารกึ่งตัวนำที่ ยับยั้งการไหลของกระแสอย่างรุนแรง โดยทำให้อิเล็กตรอนและโฮลในสารกึ่งตัวนำกระจัดกระจาย.

รูปแสดงสัญญลักษณ์ของ PN diode รูปสามเหลี่ยมแทน p side เส้นขีดแนวตั้งแทน n side

รอยต่อ p-n เป็น"สิ่งก่อสร้าง"เบื้องต้นของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ เช่น ไดโอด, ทรานซิสเตอร์, เซลล์แสงอาทิตย์, LED และวงจรรวม โดยถูกนำมาใช้เป็น ทรานซิสเตอร์ทั่วไปและ Bipolar Junction Transistor ที่ประกอบด้วย p-n junction สองต้วต่อกันแบบอนุกรมในรูปแบบ n-p-n หรือ p-n-p

การค้นพบ p-n junction มักจะให้เกียรติกับนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน รัสเซล Ohl แห่ง เบลล์แล็บ

รอยต่อของ Schottky เป็น p-n junction กรณีพิเศษ ที่ซึ่งโลหะจะทำหน้าที่เป็นสารกึ่งตัวนำ ชนิด p

คุณสมบัติของ p-n junction ,

p-n junction มีคุณสมบัติที่น่าสนใจบางอย่างที่เป็นประโยชน์ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัย เซมิคอนดักเตอร์ที่ถูกโด็ปเป็น p-type ค่อนข้างเป็นตัวนำไฟฟ้า เช่นเดียวกับเซมิคอนดักเตอร์ที่ถูกโด็ปเป็น n-type แต่รอยต่อที่แยกระหว่างเซมิคอนดักเตอร์สองชนิดทำให้พาหะของประจุไฟฟ้า(อังกฤษ: charge carrier)หายไป และนั่นคือไม่นำไฟฟ้าอีกต่อไป หรือการนำไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับเซมิคอนดักเตอร์ทั้งสองด้านนั้น โดยการปรุงแต่งจัดการกับชั้นที่ไม่เป็นสื่อไฟฟ้านี้ p-n junction จึงมักถูกทำเป็นไดโอดหรือบางครั้งเรียก junction diode ซึ่งเป็นส่วนประกอบของวงจรที่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ในทิศทางเดียวเท่านั้น การป้อนแรงดันให้กับ p-n junction เรียกว่า bias นั่นคือ ถ้าป้อนแรงดันให้กระแสไหลได้เรียกว่า forward bias แต่ถ้าป้อนแรงดันแล้ว กระแสไหลผ่านไม่ได้ เรียกว่า reverse bias

สมดุล (bias เป็นศูนย์)

p-n junction จะอยู่ในสภาพสมดุลถ้าไม่มีแรงดันไฟฟ้าภายนอกจ่ายให้ ความต่างศักย์ที่ตกครอมรอยต่อจะเรียกว่า ความต่างศักย์สร้างเองภายใน สัญญลักษณ์ V_bi

หลังจากเชื่อม เซมิคอนดักเตอร์ p-type และ n-type เข้าด้วยกันผ่าน junction แล้ว, อิเล็กตรอนจากพื้นที่ n ใกล้รอยต่อ p-n มีแนวโน้มที่จะแพร่กระจายเข้าไปในพื้นที่ p. ในขณะที่อิเล็กตรอนแตกตัว มันทิ้งไอออนประจุบวก (ผู้บริจาค) ไว้ข้างหลัง. ในทำนองเดียวกันโฮลจากพื้นที่ p ใกล้รอยต่อ p-n เริ่มที่จะแพร่กระจายเข้าไปในพื่นที่ n ก็ทิ้งไอออนประจุลบ (ผู้รับบริจาค) ไว้ข้างหลังเหมือนกัน พื้นที่ใกล้รอยต่อ p-n จึงสูญเสียความเป็นกลางและมีประจุไฟฟ้า เรียกพื้นที่นี้ว่า space charge region หรือชั้น พร่อง (ดูรูป A)

 

รูป A แสดง p-n junction ในสภาวะสมดุลที่ bias voltage เป็นศูนย์ ความเข้มข้นของอิเล็คตรอนและโฮลแสดงด้วยเส้นสีสีน้ำเงินและสีแดงตามลำดับ พื้นที่สีเทาเป็นกลาง โซนสีแดงอ่อนมีประจุบวก โซนสีฟ้าอ่อนมีประจุลบ สนามไฟฟ้าจะแสดงด้านล่าง แรงไฟฟ้าสถิตบนอิเล็กตรอนและโฮล และทิศทางในการแพร่กระจาย มีแนวโน้มที่จะย้ายอิเล็กตรอนและหลุม

สนามไฟฟ้าที่ถูกสร้างขึ้นโดย space charge region ขัดขวางกระบวนการแพร่กระจายของทั้งอิเล็กตรอนและโฮล มีปรากฏการณ์สองอย่างเกิดขึ้นพร้อมกัน ปรากฏการณ์แรกเป็นกระบวนการ แพร่กระจายที่มีแนวโน้มที่จะสร้างประจุมากขึ้น และปรากฏการณ์ที่สองเป็นสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยประจุที่มีแนวโน้มที่จะต่อต้านการแพร่กระจาย ความเข้มข้นของประจุที่สมดุลแสดงด้วยเส้นสีน้ำเงินและสีแดง และยังแสดงให้เห็นสองปรากฏการณ์ที่ถ่วงดุลเพื่อสร้างความสมดุลให้เกิดขึ้น

 

รูป B. p-n junction ในสมดุลที่มี bias เป็นศูนย์ ด้านล่างแสดงปริมาณประจุไฟฟ้า และสนามไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าในแต่ละพื้นที่

space charge region เป็นโซนที่มีประจุอิสระที่ได้รับจากไอออนคงที่(ผู้บริจาคหรือผู้รับบริจาค) ที่ถูกทิ้งไว้จากการแพร่กระจายของพาหะส่วนใหญ่ เมื่ออยู่ในภาวะสมดุล ความหนาแน่นของประจุถูกประมาณเป็นขั้นๆตามที่แสดง ในความเป็นจริง ใน region นี้จะไม่มี majority carriers อย่างสมบูรณ์ (ทำให้ค่าความหนาแน่นของประจุเท่ากับระดับการโด๊ปสุทธิ) และที่รอยต่อระหว่าง space charge region และ neutral region จะค่อนข้างเป็นเส้นตรง (ดูรูป B, Q (x) กราฟ) space charge region มีปริมาณประจุทั้งสองด้านของรอยต่อ p-n เท่ากัน และปริมาณประจุจะค่อยๆน้อยลงเมื่อห่างจากรอยต่อออกไป (ด้าน n ในรูป A และ B)