מוליכים למחצה

בצומת שבין החומרים מסוג p ו- n, האלקטרונים מ זיהומים התורם במוליכים למחצה מסוג n משתלבים עם החורים מהמוליך למחצה מסוג p. ההטמעה של התורם במוליך למחצה מסוג n מאבדת אלקטרון והופכת ליון חיובי. ההסמכה בסוג ה-p מקבלת את האלקטרון הזה ויוצרת יונים שליליים. "אזור הדלדול" המקיף את הצומת הופך לחסר באלקטרונים ובחורים. באזור הדלדול, אזור החומר מסוג n מלא כעת ביונים חיוביים, והחומר מסוג p נשלט על-ידי יונים שליליים. היונים החיוביים דוחים אלקטרונים מהצד n-type של הצומת, בעוד היונים השליליים להדוף חורים מהצד p-type של הצומת. השדה החשמלי מהצטברות היונים בצומת p-n מונע למעשה מאלקטרונים או חורים לזרום לאורך הצומת.

עם זאת, אם מתח חזק מספיק מוחל על פני צומת p-n, זרם יכול להתבצע לזרום שוב. אם ירידת מתח חיובית ממוקמת על פני הצומת (כלומר, ירידה במתח מחומר מסוג p לחומר מסוג n), ייתכן שהשדה החשמלי המיושם יוכל להתגבר על הכוח מהיונים ויכול לדחוף אלקטרונים מעבר לצומת. הצומת הוא אמר להיות "מוטה קדימה" במקרה זה. לעומת זאת, אם ירידת מתח שלילי מוחלת על פני הצומת (כלומר, ירידה במתח מחומר מסוג n לחומר מסוג p), אז המתח המוחל מוסיף דחייה נוספת לדחייה הקיימת מהיונים, והזרם אינו יכול לזרום. בתצורה זו, הצומת הוא "מוטה לאחור". הזרם יכול לזרום רק בכיוון אחד דרך צומת p-n.

משוואת דיודת Shockley מתארת את הזרם, זורם דרך צומת p-n כפונקציה של הטמפרטורה שלו ואת ירידת המתח על פני זה:

(משוואה 1)

כאשר _ישבתי הוא זרם הרוויה בדרך כלל אמפרס (A), e הוא מטען אלקטרונים שווה 1.602 10^-19 קולומב (C), V הוא ירידת המתח על פני הדיודה ב Volts (V), n הוא פרמטר ללא ממד המשתנה בין 1 ל 2 ומהווה פגמים בדיודה (n = 1 עבור דיודה אידיאלית), הוא קבוע של בולטזמן 1.38 10^-23 מ^'2 ק"ג^{s -2} K^-1,ו T היא טמפרטורת הדיודה בקלווינס (K). זרם הרוויה הוא הזרם הזעיר שעדיין מצליח לזרום גם כאשר הדיודה מוטה לאחור. ניתן לראות כי הזרם גדל באופן אקספוננציאלי עבור מתחים חיוביים והוא מעומך באופן אקספוננציאלי על ידי מתחים שליליים. יש גם תלות בטמפרטורה חזקה. טמפרטורות גבוהות מקטין את הזרימה הנוכחית, וטמפרטורות נמוכות לגרום לזרם לעלות.

תוצאות אופייניות עבור מדידות המעגל מוצגות בטבלה 1. משוואת דיודת Shockley מתארת את הזרם באמצעות דיודה כפונקציה של טמפרטורת הדיודה והמתח יורד על פניה. לטמפרטורה של 293.0 K, מתח של 555 mV על פני הדיודה, ומקדם אידיאליות שרירותי (אך מייצג) של n = 1.5,

הזרם דרך הדיודה מחושב עבור כל המתחים הנמדדים. העקומה האופיינית לדיודה (זרם כפונקציה של מתח) מתוותת באיור 1. התלות המעריכית של הזרם במתח ניכרת בבירור. כאשר היא מוטה קדימה, הדיודה מאפשרת לזרם לזרום. כאשר מוטה לאחור, רק זרם הרוויה מיקרוסקופי יכול לזרום, ביעילות מה שהופך את הדיודה שסתום המאפשר רק את זרימת הזרם בכיוון אחד.

טבלה 1: תוצאות.

איור 1: נקודות תיאורטיות משוואת דיודת שוקלי הן בכחול. נקודות נתונים שנמדדו באדום. גורם אידיאליות שרירותי של n = 1.5 שימש במשוואת דיודת Shockley. הפער בין ערכים מדודים לבין ערכים תיאורטיים עלול להיעלם אם גורם האידיאליות האמיתי של הדיודה היה ידוע.

מעבדה זו חקרה את המאפיינים של מוליכים למחצה וצומת p-n בצורה של דיודת מוליכים למחצה. דיודה היא רכיב מעגל המורכב מצומת p-n אחד. העקומה האופיינית של הדיודה נמדדה, והדיודה נצפתה לנהל זרם חשמלי בכיוון אחד בלבד. נורית LED מכילה סוג מיוחד של צומת p-n הפולט אור בנוסף להתנהלות חד-כיוונית.

מוליכים למחצה נמצאים בשימוש נרחב בתעשיית האלקטרוניקה. דיודות מוליכים למחצה מכילות רק צומת P-n יחיד, ואילו טרנזיסטורים עשויים מצמתים n-p-n ו- p-n-p; כלומר, שני צמתים פי-אן ממש אחד ליד השני. טרנזיסטורים מוליכים למחצה הם הבסיס כמעט לכל האלקטרוניקה המודרנית. ניתן להשתמש בהם לבניית שערים לוגיים, שהם מעגלים שיכולים לבצע פעולות לוגיות בוליאנית בסיסיות כגון AND, OR, NOT ו- NAND. ניתן לשלב פעולות לוגיות אלה כדי לבצע פעולות מורכבות יותר כגון חיבור וכפל, ואף ניתן להשתמש בהן לבניית מעבדי מחשב וזיכרון. נורות LED העשויות ממוליכים למחצה הן מקורות אור חסכוניים יותר באנרגיה מאשר נורות ליבון מסורתיות.