p-n Eklemeleri ve Bant Bükülmesi
p-tipi ve n-tipi yarı iletkenlerin birleştirilmesi, Fermi seviyelerini hizalayarak bantları büker ve akımın yalnızca tek yönde kolayca akmasını sağlayan dahili bir alan oluşturur; bu durum diyotun özünü teşkil etmektedir.
Tanım
p-n eklemi, p-tipi ve n-tipi yarı iletken arasındaki arayüz olarak tanımlanmaktadır; denge durumunda taşıyıcı difüzyonu, Fermi seviyesinin sabit kalması için bantları büken dahili bir elektrik alanı ile yükten arındırılmış bir bölge oluşturur ve uygulanan bir polarizasyon bu alanı dengesizleştirerek doğrultucu akım akışı sağlamaktadır.
Kapsam
Bu konu, p-n ekleminin fiziğini kapsamaktadır: metalurjik eklem boyunca taşıyıcıların difüzyonu, ortaya çıkan tükenme bölgesi ve dahili potansiyel, Fermi seviyesini eşitleyen bant bükülmesi ve ileri ve ters polarizasyon altında doğrultucu akım-gerilim karakteristiği incelenmektedir. Shockley diyot denklemi, tükenme tabakası genişliği ve kapasitansı ile kırılma olayları ele alınmakta olup, diyotlar, transistörler ve güneş pilleri için temel yapı taşını sağlamaktadır.
Temel sorular
- p-tipi ve n-tipi malzemelerin birleştirilmesi neden bir tükenme bölgesi ve dahili bir potansiyel oluşturur?
- Bant bükülmesi, denge durumunda eklem boyunca Fermi seviyesini nasıl sabit tutar?
- Eklem, ileri polarizasyon altında neden kolayca iletirken, ters polarizasyonu engeller?
- Tükenme tabakası genişliğini, eklem kapasitansını ve kırılma gerilimini ne belirler?
Anahtar kavramlar
- Tükenme bölgesi ve dahili potansiyel
- Bant bükülmesi ve Fermi seviyesi hizalanması
- İleri ve ters polarizasyon
- Shockley diyot denklemi ve doğrultma
- Eklem kapasitansı ve kırılma
Temel kuramlar
- Shockley diyot kuramı
- Shockley, ideal bir p-n ekleminin üstel akım-gerilim ilişkisini, tükenme bölgesi boyunca azınlık taşıyıcılarının difüzyonundan türetmiştir; bu durum doğrultmayı açıklamakta ve diyotlar ile bipolar transistörlerin altında yatan nicel modeli sağlamaktadır.
Klinik önem
p-n eklemi, yarı iletken elektroniğinin temel yapı taşıdır: doğrultucu ve sinyal diyotları, ışık yayan diyotlar, fotodiyotlar ve güneş pilleri eklemlerden oluşmaktadır; bipolar ve alan etkili transistörler ise bunların kombinasyonlarından inşa edilmektedir.
Tarihçe
Ohl, 1939'da silikon p-n sınırında doğrultmayı tanımlamıştır. Shockley'nin 1949'daki eklem teorisi, eklemin çalışmasını açıklamış ve doğrudan eklem transistörüne yol açmıştır. Bu temel çalışma, Bardeen ve Brattain ile paylaşılan 1956 Nobel Ödülü ile tanınmıştır.
Öne çıkan isimler
- William Shockley
- Russell Ohl
- John Bardeen
İlgili konular
Temel eserler
- shockley1949
- sze2007
Sıkça sorulan sorular
- Bir p-n eklemi neden sadece tek yönde iletim yapar?
- İleri polarizasyon, dahili bariyeri düşürerek çoğunluk taşıyıcılarının akış yapmasını ve akımın üstel olarak artmasını sağlar; ters polarizasyon ise bariyeri yükselterek yalnızca küçük bir azınlık taşıyıcı akımı bırakır, bu nedenle eklem, akım için tek yönlü bir valf görevi görmektedir.
- Bant bükülmesi nedir?
- Eklem yakınında, tükenme bölgesinin dahili elektrik alanı, yerel enerji bantlarını konuma göre yukarı veya aşağı kaydırmaktadır; bu bükülme, net akım olmaması için gerekli olduğu üzere, denge durumunda cihaz boyunca Fermi seviyesini düz tutan mekanizmadır.