Jonctions p-n et courbure de bande

L'assemblage de semi-conducteurs de type p et de type n aligne leurs niveaux de Fermi, courbant les bandes et créant un champ électrique interne qui permet au courant de circuler facilement dans une seule direction, ce qui constitue l'essence de la diode.

Definition

Une jonction p-n est l'interface entre un semi-conducteur de type p et un semi-conducteur de type n ; à l'équilibre, la diffusion des porteurs crée une région appauvrie en charges avec un champ électrique interne qui courbe les bandes de manière à ce que le niveau de Fermi soit constant, et une polarisation appliquée déséquilibre ce champ pour produire un courant de redressement.

Scope

Ce sujet aborde la physique de la jonction p-n : la diffusion des porteurs à travers la jonction métallurgique, la région de déplétion et le potentiel interne résultants, la courbure de bande qui égalise le niveau de Fermi, et la caractéristique courant-tension de redressement sous polarisation directe et inverse. Il traite de l'équation de la diode de Shockley, de la largeur et de la capacité de la couche de déplétion, et du claquage, constituant l'élément de base pour les diodes, les transistors et les cellules solaires.

Core questions

• Pourquoi l'assemblage de matériaux de type p et de type n crée-t-il une région de déplétion et un potentiel interne ?
• Comment la courbure de bande maintient-elle le niveau de Fermi constant à travers la jonction à l'équilibre ?
• Pourquoi la jonction conduit-elle facilement sous polarisation directe mais bloque-t-elle la polarisation inverse ?
• Qu'est-ce qui détermine la largeur de la couche de déplétion, la capacité de la jonction et la tension de claquage ?

Key concepts

• Région de déplétion et potentiel interne
• Courbure de bande et alignement du niveau de Fermi
• Polarisation directe et inverse
• Équation de la diode de Shockley et redressement
• Capacité de jonction et claquage

Key theories

Théorie de la diode de Shockley

Shockley a dérivé la relation courant-tension exponentielle d'une jonction p-n idéale à partir de la diffusion des porteurs minoritaires à travers la région de déplétion, expliquant le redressement et fournissant le modèle quantitatif sous-jacent aux diodes et aux transistors bipolaires.

Clinical relevance

La jonction p-n est l'élément constitutif élémentaire de l'électronique à semi-conducteurs : les diodes de redressement et de signal, les diodes électroluminescentes, les photodiodes et les cellules solaires sont des jonctions, et les transistors bipolaires et à effet de champ sont construits à partir de leurs combinaisons.

History

Ohl a identifié la rectification à une frontière p-n de silicium en 1939, et la théorie de la jonction de Shockley de 1949 a expliqué son fonctionnement et a conduit directement au transistor à jonction, un travail fondamental reconnu par le prix Nobel de 1956 partagé avec Bardeen et Brattain.

Key figures

• William Shockley
• Russell Ohl
• John Bardeen

Seminal works

• shockley1949
• sze2007

Frequently asked questions

Pourquoi une jonction p-n ne conduit-elle que dans une seule direction ?

La polarisation directe abaisse la barrière interne, de sorte que les porteurs majoritaires traversent en masse et le courant augmente de manière exponentielle ; la polarisation inverse élève la barrière, ne laissant qu'un très faible courant de porteurs minoritaires, de sorte que la jonction agit comme une valve unidirectionnelle pour le courant.

Qu'est-ce que la courbure de bande ?

Près de la jonction, le champ électrique interne de la région de déplétion déplace les bandes d'énergie locales vers le haut ou vers le bas en fonction de la position ; cette courbure est précisément ce qui maintient le niveau de Fermi plat à travers le dispositif à l'équilibre, comme requis pour l'absence de courant net.