The P/N junction: depletion region, barrier and biasรอยต่อ P/N: บริเวณปลอดพาหะ กำแพงศักย์ และไบแอส

Join P-type and N-type silicon and watch the depletion region form. Apply forward or reverse bias and see the barrier, the field and the current respond.ต่อซิลิคอนชนิด P กับชนิด N แล้วดูบริเวณปลอดพาหะก่อตัวขึ้น ให้ไบแอสตรงหรือไบแอสกลับ แล้วดูกำแพงศักย์ สนามไฟฟ้า และกระแสเปลี่ยนไป

Loading module…กำลังโหลดโมดูล…

Doping makes two kinds of silicon

Pure silicon has very few free carriers, about 10¹⁰ cm⁻³ at room temperature. Doping changes that. Adding acceptor atoms (boron) gives P-type silicon, full of mobile holes; adding donor atoms (phosphorus) gives N-type, full of free electrons. Each side stays electrically neutral: every hole is balanced by a fixed negative acceptor ion, every electron by a fixed positive donor ion.

The minority carriers on each side follow the mass-action law, n·p = ni², so a side doped to 10¹⁶ cm⁻³ has only 10⁴ cm⁻³ of the other carrier.

n · p = ni²
P side: p ≈ Na,  n ≈ ni²/Na
N side: n ≈ Nd,  p ≈ ni²/Nd

The depletion region and built-in potential

Where the two meet, electrons diffuse into P and holes into N, and they recombine. They leave behind the fixed ions: a layer of negative charge on the P side and positive charge on the N side. That charge sets up an electric field, pointing from N to P, which pushes back on further diffusion. The balance is reached at the built-in potential Vbi.

The region swept clear of mobile carriers is the depletion region. Its width shrinks with heavier doping, and it reaches mostly into the more lightly doped side, because the charge on both sides must balance.

Vbi = VT · ln(Na·Nd / ni²),   VT = kT/q ≈ 25.9 mV
W = √( 2ε(Vbi − Va)/q · (1/Na + 1/Nd) )
xp·Na = xn·Nd,   Emax = q·Na·xp / ε

Forward and reverse bias

Forward bias (P positive) works against the built-in field: the barrier falls to Vbi − Va, the depletion region narrows, and carriers pour across. The current rises exponentially with voltage. Reverse bias adds to the barrier: the depletion region widens, the field grows, and only a tiny leakage of thermally generated minority carriers flows. This one-way behaviour is the diode.

I = Is · (exp(Va / VT) − 1)

Reading the band diagram

The band diagram plots electron energy across the junction. The conduction band Ec and valence band Ev bend by q(Vbi − Va): the hill an electron must climb to cross from N to P. With no bias the Fermi level EF is flat; under bias it splits by qVa between the two sides.

Worked example (the simulator’s default values)

  1. Silicon, Na = Nd = 10¹⁶ cm⁻³, ni = 10¹⁰ cm⁻³, T = 300 K.
  2. Vbi = 0.0259 · ln(10³² / 10²⁰) = 0.714 V.
  3. At zero bias W = 0.430 µm, split equally (0.215 µm each side); Emax = 33.2 kV/cm.
  4. Forward 0.5 V: W shrinks to 0.235 µm and the current grows by a factor of about 2.5 × 10⁸.
  5. Reverse 5 V: W grows to 1.22 µm and Emax to 94 kV/cm, but only leakage current flows.

Common mistakes

  • Thinking the depletion region holds no charge. It holds no mobile carriers, but it is full of fixed ions; that charge makes the field.
  • Expecting the depletion region to sit equally on both sides. It extends mostly into the lightly doped side.
  • Applying forward bias above Vbi. The barrier never vanishes: long before Va reaches Vbi the current is so large that the resistance of the silicon and wires takes over.

Common questions

What is the depletion region in a P-N junction?

A thin layer around the junction where electrons and holes have diffused across and recombined, leaving only fixed ions. Their charge creates an electric field and the built-in potential that stop further diffusion.

How do you calculate the built-in potential?

Vbi = (kT/q)·ln(Na·Nd/ni²). For silicon with Na = Nd = 10¹⁶ cm⁻³ at 300 K, Vbi ≈ 0.71 V.

What happens to the depletion region under reverse bias?

It widens, in proportion to the square root of (Vbi − Va), and the electric field grows. Only a small leakage current of minority carriers flows.

การโด๊ปทำให้ได้ซิลิคอนสองชนิด

ซิลิคอนบริสุทธิ์มีพาหะอิสระน้อยมาก ประมาณ 10¹⁰ cm⁻³ ที่อุณหภูมิห้อง การโด๊ปเปลี่ยนสิ่งนั้น การเติมอะตอมตัวรับ (โบรอน) ได้ซิลิคอนชนิด P ที่มีโฮลเคลื่อนที่ได้มากมาย การเติมอะตอมตัวให้ (ฟอสฟอรัส) ได้ชนิด N ที่มีอิเล็กตรอนอิสระมากมาย แต่ละด้านยังคงเป็นกลางทางไฟฟ้า: โฮลทุกตัวถูกดุลด้วยไอออนลบของตัวรับที่อยู่กับที่ อิเล็กตรอนทุกตัวถูกดุลด้วยไอออนบวกของตัวให้

พาหะส่วนน้อยในแต่ละด้านเป็นไปตามกฎการกระทำมวล n·p = ni² ด้านที่โด๊ป 10¹⁶ cm⁻³ จึงมีพาหะอีกชนิดเพียง 10⁴ cm⁻³

n · p = ni²
ด้าน P: p ≈ Na,  n ≈ ni²/Na
ด้าน N: n ≈ Nd,  p ≈ ni²/Nd

บริเวณปลอดพาหะและศักย์ในตัว

ที่รอยต่อ อิเล็กตรอนแพร่เข้าไปในด้าน P และโฮลแพร่เข้าไปในด้าน N แล้วรวมตัวกัน ทิ้งไอออนที่อยู่กับที่ไว้: ชั้นประจุลบในด้าน P และประจุบวกในด้าน N ประจุนั้นสร้างสนามไฟฟ้าชี้จาก N ไป P ซึ่งต้านการแพร่ต่อไป สมดุลเกิดขึ้นที่ศักย์ในตัว Vbi

บริเวณที่ไม่มีพาหะเคลื่อนที่เรียกว่าบริเวณปลอดพาหะ ความกว้างลดลงเมื่อโด๊ปหนักขึ้น และขยายเข้าไปในด้านที่โด๊ปเบากว่าเป็นส่วนใหญ่ เพราะประจุทั้งสองด้านต้องเท่ากัน

Vbi = VT · ln(Na·Nd / ni²),   VT = kT/q ≈ 25.9 mV
W = √( 2ε(Vbi − Va)/q · (1/Na + 1/Nd) )
xp·Na = xn·Nd,   Emax = q·Na·xp / ε

ไบแอสตรงและไบแอสกลับ

ไบแอสตรง (ด้าน P เป็นบวก) ต้านสนามในตัว: กำแพงศักย์ลดลงเหลือ Vbi − Va บริเวณปลอดพาหะแคบลง และพาหะไหลข้ามรอยต่อ กระแสเพิ่มแบบเอกซ์โพเนนเชียลตามแรงดัน ไบแอสกลับเสริมกำแพงศักย์: บริเวณปลอดพาหะกว้างขึ้น สนามแรงขึ้น และมีเพียงกระแสรั่วเล็กน้อยจากพาหะส่วนน้อยที่เกิดจากความร้อน พฤติกรรมทางเดียวนี้คือไดโอด

I = Is · (exp(Va / VT) − 1)

การอ่านแผนภาพแถบพลังงาน

แผนภาพแถบพลังงานแสดงพลังงานของอิเล็กตรอนตลอดรอยต่อ แถบนำไฟฟ้า Ec และแถบวาเลนซ์ Ev โค้งไป q(Vbi − Va) ซึ่งคือเนินที่อิเล็กตรอนต้องปีนขึ้นเพื่อข้ามจาก N ไป P เมื่อไม่มีไบแอส ระดับเฟอร์มี EF เป็นเส้นตรง เมื่อมีไบแอส ระดับเฟอร์มีทั้งสองด้านแยกห่างกัน qVa

ตัวอย่างการคำนวณ (ค่าเริ่มต้นของโปรแกรมจำลอง)

  1. ซิลิคอน Na = Nd = 10¹⁶ cm⁻³, ni = 10¹⁰ cm⁻³, T = 300 K
  2. Vbi = 0.0259 · ln(10³² / 10²⁰) = 0.714 V
  3. ที่ไม่มีไบแอส W = 0.430 µm แบ่งเท่ากัน (ด้านละ 0.215 µm); Emax = 33.2 kV/cm
  4. ไบแอสตรง 0.5 V: W แคบลงเหลือ 0.235 µm และกระแสเพิ่มขึ้นประมาณ 2.5 × 10⁸ เท่า
  5. ไบแอสกลับ 5 V: W กว้างขึ้นเป็น 1.22 µm และ Emax เป็น 94 kV/cm แต่มีเพียงกระแสรั่วไหล

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

  • คิดว่าบริเวณปลอดพาหะไม่มีประจุ ที่จริงไม่มีพาหะเคลื่อนที่ แต่เต็มไปด้วยไอออนที่อยู่กับที่ ประจุนั้นสร้างสนามไฟฟ้า
  • คาดว่าบริเวณปลอดพาหะอยู่เท่ากันทั้งสองด้าน ที่จริงขยายเข้าไปในด้านที่โด๊ปเบาเป็นส่วนใหญ่
  • ให้ไบแอสตรงเกิน Vbi กำแพงศักย์ไม่เคยหายไป ก่อนที่ Va จะถึง Vbi กระแสจะมากจนความต้านทานของซิลิคอนและสายไฟเป็นตัวจำกัด

คำถามที่พบบ่อย

บริเวณปลอดพาหะในรอยต่อ P-N คืออะไร?

ชั้นบาง ๆ รอบรอยต่อที่อิเล็กตรอนและโฮลแพร่ข้ามและรวมตัวกันไปแล้ว เหลือเพียงไอออนที่อยู่กับที่ ประจุของไอออนสร้างสนามไฟฟ้าและศักย์ในตัวที่หยุดการแพร่ต่อไป

คำนวณศักย์ในตัวอย่างไร?

Vbi = (kT/q)·ln(Na·Nd/ni²) สำหรับซิลิคอนที่ Na = Nd = 10¹⁶ cm⁻³ ที่ 300 K ได้ Vbi ≈ 0.71 V

บริเวณปลอดพาหะเป็นอย่างไรเมื่อไบแอสกลับ?

กว้างขึ้นตามรากที่สองของ (Vbi − Va) และสนามไฟฟ้าแรงขึ้น มีเพียงกระแสรั่วเล็กน้อยจากพาหะส่วนน้อยไหล