PN-overgangen

Den viktigste overgangen du ikke har hørt om

Overgangssummer i fotball kan være enorme. Men i forhold til verdien av pn-overgangen er det lommerusk.

En pn-overgang er konstruert av halvledermaterialer. Som regel silisium. Men for å få strøm til å gå gjennom silisium må grunnstoffet dopes. Det vil si at man tilsetter andre grunnstoffer. De vanligste grunnstoffene som brukes til det er fosfor og bor. 
En pn-overgang er konstruert av halvledermaterialer. Som regel silisium. Men for å få strøm til å gå gjennom silisium må grunnstoffet dopes. Det vil si at man tilsetter andre grunnstoffer. De vanligste grunnstoffene som brukes til det er fosfor og bor.  (Foto: Jakub PavlinColourboxec)

Overgangssummer i fotball kan være enorme. Men i forhold til verdien av pn-overgangen er det lommerusk.

Tenk deg en verden uten transistorer, uten lysdioder, uten solcellepaneler og mye annet som er fundamentet for det moderne samfunnet, og den bærekraftige fremtiden som bruker fornybar energi. Det blir som en dyster science-fictionfilm. Heldigvis er det bare en fantasiøvelse. For vi slipper unna et slikt mørkt scenario.

Mye takket for et enkelt og genialt fysisk prinsipp; PN-overgangen. 

Oppfinnelsen av pn-overganger er tilskrevet den geniale ingeniøren og materialteknologien Russell Shoemaker Ohl i 1939. Han jobbet på Bell Labs hvor så mange andre oppfinnelser, slik som transistoren, så dagens lys. I 1946 sto Shoemaker Ohl også bak oppfinnelsen av den moderne solcellen basert på pn-overgangen, mens han og kolleger jobbet på det som skulle bli til transistoren. 

Hovedpoenget med en pn-overgang er å kunne bestemme hvor elektronene går. Den fungerer som ventil for ladninger og sørger for at de går en vei, men ikke den andre. Det er et ørlite elektronisk prinsipp som danner grunnlaget for den moderne verden. 

Artikkelen er et forsøk på å popularisere noe som egentlig kan forklares veldig vanskelig med mye kvantemekanikk. Presisjonsnivået vil neppe tilfredsstille en durkdreven fysiker, men prinsippet er så viktig at alle kan ha glede av å vite litt. 

Halvledere

For å forklare pn-overgangen er det nyttig å kjenne litt til halvledere. Silisiumatomet har, som alle atomer, skall av elektroner. I det ytre skallet er det fire elektroner. Det betyr at skallet er “halvfullt”. Silisium vil helst ha 8 elektroner i dette skallet, men ved å gå sammen med andre Si-atomer kan de dele på elektronene. Ved å låne fra hverandre får de på en måte 8 elektroner hver og da danner de et krystall. Men fordi alle de ytre elektronene er opptatt med å holde fast i hverandre så leder ikke krystallen strøm. Det er ingen frie elektroner som kan lede strøm. Materialet er altså en isolator. Heldigvis er det mulig å gjøre noe med ledningsevnen til halvledere. De kan bli en leder ved å gjøre noen triks.

I metaller, i motsetning til halvledere, er det tilgang til frie elektroner som gjør at de leder strøm.

Så hva er en pn-overgang, da?

En pn-overgang er konstruert av halvledermaterialer. Som regel silisium (Si kan ikke benyttes i LED). Men for å få strøm til å gå gjennom silisium må grunnstoffet dopes. Det vil si at man tilsetter andre grunnstoffer. De vanligste grunnstoffene som brukes til det er fosfor og bor. 

Om silisium dopes med litt fosfor, det vi si et grunnstoff som har fem elektroner i ytre skall, så blir det “ønsket velkommen” iblant silisiumatomene og blir en del av krystallet. Men siden hvert fosfor-atom bare har fire silisium-naboer blir det et elektron til overs. Og vips; man får frie elektroner som kan lede strøm. Denne type doping gir en n-type (negativ) halvleder som leder elektroner. 

Når silisium dopes med bor skjer så å si det motsatte. Når boratomet blir en del av krystallet mangler det et elektron i ytre skall for å danne et stabilt ikke ledende materiale. I stedet for elektroner dannes det såkalte «hull». Det å beskrive dette som hull har en viss analogi med å beskrive bevegelse av bobler i vann istedenfor å beskrive bevegelse av vannet rundt boblene. Hullene representerer manglende elektroner og fungerer i stedet som frie positive ladninger. Denne type doping med underskudd av negative elektroner gir en p-type halvleder (positiv).

Les også

Elektronene og hullene diffunderer

Når to slike dopede silisiumkrystaller legges inntil hverandre vil elektroner og hull diffundere et kort stykke over materialgrensen.  Her vil de kansellere hverandre ut slik at vi er tilbake til en ikke ledende tilstand. I utgangspunktet skulle man tro at alle de frie elektronene og hullene ville kansellere hverandre ut, men det skjer bare i et lite område rundt materialgrensen. Det er fordi at det oppstår et elektrisk felt som virker mot diffusjonsprosessen slik at området, det vil si pn-overgangen ikke blir så tykt. 

Pn-overgangen kan oppstå fordi både hull og elektroner er fri og kan bevege seg. Det kan derimot ikke dopeatomene. De blir der de var i krystallet som faste negative eller positive ladninger

Derfor vil det i pn-overgangen mellom p- og n-siden oppstå en positiv og en negativ side. Dette grensesjiktet er selve rosinen i silisiumpølsa! Det er det som fungerer som en enveisventil for strøm.

Det elektriske felt som oppstår over pn-overgangen tilsvarer ladningene fra de ioniserte dopeatomene krystallet på begge sider av den. 

Enveisventil for strøm

Pn-overgangen fungerer på denne måten som en diode. Som kjent leder en diode strøm bare en vei. Det er denne enveisventil-effekten så mye bygger på». 

Det skjer fordi når man setter på en strøm i samme retning som det elektriske feltet så krymper pn-overgangen og slipper gjennom strømmen. Gjør man det motsatte øker bredden på pn-overgangen og stopper strømmen. 

Les også

Veldig mange anvendelser

På denne måten er det lett å forstå at en diode kan lage likestrøm av vekselstrøm fordi den slipper gjennom bare den ene delen av sinuskurven. 

Det viktigste pn-overgangen har gitt oss er nok muligheten til å konstruere en transistorer. Det er mange typer transistorer, men i de som sitter i prosessorer og annen integrert elektronikk, kan man tenke på transistoren som en slags programmerbar diode. 

I bipolar-transistorer bruker man tre sjikt av dopet silisium hvor det ene (p eller n) blir liggende mellom de to andre (n eller p). Det kan høres rart ut for da får man jo en «stabel» med to sperresjikt som ikke leder strøm noen vei. Det er her sjiktet i midten kommer inn. Basen, som det kalles, kan styre strømmen som går gjennom de to andre pn-overgangene; fra emitter (sende ut) til kollektor (samle inn). Spenningen til basen bestemmer hvor høy barrieren blir mellom emitter og kollektor. Det gjøres ved å ha en ytre krets som setter opp en ørliten strøm mellom kollektor og base. 

Forsterkere og brytere

Transistorer kan fungere som en forsterker ved at den den lille strømmen som går inn i basen kontrollerer en mye kraftigere strøm mellom emitter og kollektor. 

I datamaskiner derimot, brukes transistorer (CMOS-type) som rene av/på-brytere. Her skrur basespenningen strømmen mellom emitter og kollektor av og på.

Transistorene den viktigste byggeblokken i moderne elektronikk og fundamentet for det moderne samfunnet. Det er nesten utenkelig å tenke seg en verden uten transistoren i dag. De er blitt så små at det går 15 milliarder av dem på en prosessor som er mye mindre enn en fingernegl.

Solceller 

Les også

Selv om pn-overgangens rolle i transistoren er den viktigste, er solceller også et godt eksempel på hvordan egenskapene ved p-n overgangen utnyttes. En solcelle består av mange sjikt, men de viktigste er de to som danner en pn-overgang mellom seg.  

Når fotoner (lyspartiklene) treffer det øverste fosfor-dopede sjiktet i en solcelle vil de slå løs elektron-hullpar. I stedet for å rekombinere trekker det elektriske feltet hullene gjennom pn-overgangen. På den måten «reddes» energien som oppstår ved at det dannes en spenning mellom hver side av overgangen. Det hoper seg altså opp elektroner på den ene siden og hull på den andre siden. 

Hvis nå n-sjiktet med frie elektroner og n-sjiktet med frie hull forbindes med en last vil det gå en elektrisk strøm av elektroner mellom dem hvor de kombineres med hull.

Så lenge solen skinner på cellen går det en likestrøm i den ytre kretsen. Fotonene splitter stadig nye par av elektroner og hull som drives til hver side av pn-overgangen. Den går derfor aldri tom for elektroner og hull. 

Lysdioder

En lysdiode er i bunn og grunn litt som det motsatt av en solcelle. Her injiseres en strøm av elektroner inn i p-området hvor de rekombinerer med hull. Når de gjør det sendes ut lys i form av fotoner (lyspartikler). Energien til fotonene er kan man variere ved å benytte ulike materialer. Silisium er ikke egnet i en lysdiode fordi rekombinasjonen resulterer i generering av varme i stedet for elektromagnetisk stråling. Vanlige halvledermaterialer for lys er GaInN, GaAs og GaN. Materialene som brukes bestemmer energien til fotonene som sendes ut og derav fargen på lyset fra ultrafiolett, via synlig lys, til infrarødt.

1: pn-overgangen finner vi litt ut fra hver side av de to dopede halvlederne, hvor den etablerer seg naturlig. Utenfor overgangen finner vi nøytrale deler av halvlederne. I overgangssonen er det hverken hull eller elektroner. Da er det den negative og positive ladningen fra de dopede atomene i krystallet som gir egenskapene. Atomene man har dopet med, typisk fosfor og bor, har gitt fra seg elektroner og hull. Da er det overskuddet og underskuddet av protoner i kjernen som gir området minus på den ene siden og pluss på den andre siden. De røde og blå linjene viser konsentrasjonen av hull og elektroner, mens de grå områdene ikke har noen ladning. Det lyseblå området er negativt ladet, det lyserøde positivt.
2: Når man setter på en spenning med pluss på den p-dopede og minus på den n-dopede siden, skyves hull og elektroner mot overgangen og den krymper. Når spenningen når en terskelverdi på 0,7 volt, vil pn- overgangen bli så liten at strømmen vil gå så å si uten motstand.
3: Det motsatte skjer når spenningen settes på den andre veien: Da blir pn- overgangen større og hindrer strømmen fra å gå gjennom.
Les også

Kommentarer (4)

Kommentarer (4)

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå