Se kilde til Pn-overgang

{{lille forbogstav i titel}}
:''Se også [[pn-diode]]''
[[File:PN diode with electrical symbol.svg|thumb|En pn-overgang. Kredsløbssymbolet der vises lige under: Trekanten svarer til den p-doterede side.]]

En '''pn-overgang''' eller '''np-overgang''' er en grænseflade mellem to typer af halvledere; [[p-type halvleder|p-type]] og [[n-type halvleder|n-type]], inden i ét enkelt krystal af [[halvleder]]. En pn-overgang bliver skabt ved [[dotering]], fx ved [[ion-implantation]], [[diffusion]] af [[dopant]]er - eller ved [[epitaksi]] (vækst af et dopant-type doteret krystallag ovenpå et andet dopant-type doteret krystallag). Hvis to separate dopant-type doterede krystallag blev sat sammen mekanisk ville der introduceres en [[kornovergang]] mellem de to dopant-type halvledere, hvilket ville hæmme dets anvendelse grundet [[scattering]] af elektronerne og [[Elektronhul|elektronhullerne]].

pn-overgange er grundlæggende "byggeblokke" af de fleste [[halvlederkomponent]]er såsom [[diode]]r, [[transistor]]er, [[solcelle]]r, [[lysdiode]]r og [[integrerede kredsløb]]; pn-overgange er her de aktive zoner, hvor komponentens elektroniske virkning sker. Fx består den [[bipolare transistor]] af to pn-overgange i serie; i form af enten [[NPN-transistor|npn]] eller [[PNP-transistor|pnp]].

Opdagelsen af pn-overgangen bliver sædvanligvis krediteret til den amerikanske fysiker [[Russell Ohl]] i 1939 fra [[Bell Labs|Bell Laboratories]].<ref>{{cite book
 | last = Riordan
 | first = Michael
 | author2 = Lillian Hoddeson
 | title = Crystal fire: the invention of the transistor and the birth of the information age
 | publisher = W. W. Norton & Company
 | year = 1988
 | location = USA
 | pages = 88–97
 | url = http://books.google.com/books?id=SZ6wm5ZSUmsC&pg=PA92
 | isbn = 0-393-31851-6}}</ref>

En [[Schottky-overgang]] er et specialtilfælde af en pn-overgang, hvor metallet har rollen af p-type halvlederen.

==pn-overgangens egenskaber uden ekstern fotonbelysning==
[[File:Silicium-atomes.png|thumb|Billede af [[silicium]]atomer (Si) forstørret ca. 45.000.000x.]]
pn-overgangen besidder nogle interessante egenskaber, der har nogle brugbare anvendelser indenfor moderne elektronik. Et p-doteret halvleder er en relativ god [[Specifik ledningsevne|leder]]. Det samme gælder en n-doteret halvleder, men overgangen mellem dem bliver tømt for "frie" ladningsbærere - og er derfor ikke-ledende, afhængig af de relative spændinger over de to halvlederområder. Ved manipulering af disse ikke-ledende zoner - kan pn-overgangene anvendes til [[diode]]r; kredsløbselementer som tillader en strøm af [[elektricitet]] i den ene retning, men ikke i den anden (modsatte) retning. Forspænding/spærrespænding er anvendelsen af en spænding over en pn-overgang; forspænding er i retning af "let" elektrisk strømming - og spærrespænding (omvendt forspænding) er i retning af lille eller meget lille elektrisk strømming. 

===Uden forspænding===
I en pn-overgang, uden ekstern påtrykt spændingsforskel, bliver en ligevægtsbetingelse nået, hvor en (mindre) spændingsforskel opretholdes over overgangen. Denne potentialeforskel kaldes det indbyggede potentiale <math>V_{\rm bi}</math>.

I np-overgangen vil elektroner fra n-zonen nær pn-overgangen have en tendens til af diffundere ind i p-zonen. Når disse elektroner diffunderer efterlader de positivt ladede ion ([[donor (halvleder)|donor-ioner]]) i n-zonen. 

På lignende vis vil huller fra p-zonen nær pn-overgangen have en tendens til af diffundere ind i n-zonen, efterladende ([[acceptor (halvleder)|acceptor-ioner]]) med negativ ladning. Området nær pn-overgangen mister sin neutralitet og bliver ladet - og udgør [[rumladningsområde]]t eller spærrelaget (se [[:Image:Pn-junction-equilibrium.png|figur A]]).

[[File:Pn-junction-equilibrium.svg|thumb|'''Figur A.''' En np-overgang i [[termisk]] ligevægt men nul-bias (ingen spændingsforskel påtrykt). Elektron og hul koncentration vises med henholdsvis blå og røde linjer. Gråzoner er ladningsneutrale. Lyserøde zoner er positivt ladede. Lyseblå zoner er negativt ladede. Det elektriske felt er vist nederst, den elektrostatiske kraft på elektronerne og hullerne og med hvilken retning diffusionstendensen af elektroner og huller er i.]]

Det [[elektriske felt]] skabt af rumladningsområdet modsætter sig diffusionsprocessen for både elektroner og huller. Dette er to samtidige fænomener: Diffusionsprocessen har en tendens til at skabe mere rumladning - og det genererede elektriske felt af rumladningen som modvirker diffusionen. Ladningskoncentrationsprofilen ved ligevægt er vist i [[:Image:Pn-junction-equilibrium.png|figur A]] med blå og røde linjer. Der er også vist de to modsat balancerende fænomener som tilvejebringer ligevægt.

[[File:Pn-junction-equilibrium-graphs.png|thumb|'''Figur B.''' En pn-overgang i termisk ligevægt med nul-bias spændingsforskel påtrykt. Under overgangen, plottes ladningstætheden, det elektriske felt - og den rapporterede spænding.]]

===Med forspænding===
I fremad-bias bliver p-type halvlederen forbundet med den positive terminal - og n-type halvlederen bliver forbundet med den negative terminal.
[[Fil:PN band.gif|thumb|pn-overgang i fremad-bias drift, visende reduceret spærrelagsbredde. Både p og n siliciumhalvlederzonerne er doteret til 1e15/cm3, hvilket har en indbygget potentialeforskel på ~0,59&nbsp;V. Det reducerede spærrelags bredde, kan udledes af den mindskede ladningsprofil, da færre dopanter bliver eksponeret med fremad-bias.]]

Med et spændingskilde (fx batteri) forbundet så pn-overgangen får fremad-bias, vil [[elektronhul]]ler i P-type zonen og [[elektron]]er i N-type zonen blive skubbet mod selve overgangen. Dette reducerer [[spærrelagsbredde]]n. Det positive potentiale sat til P-type materialet frastøder huller, mens det negative potentiale sat til N-type materialet frastøder "frie" elektroner. Da elektroner og huller bliver skubbet mod overgangen, vil spærrelaget blive smallere. Dette minsker barrierens [[Elektrisk potentiale|potentiale]]. Ved at øge forward-bias spændingen, kan spærrelagszonen blive så tynd at zonens elektriske felt ikke kan modvirke ladningsbærere at krydse pn-overgange - og som konsekvens minskes pn-overgangens [[resistans]].

=== Med spærrespænding (omvendt forspænding) ===
[[Fil:PN Junction in Reverse Bias.png|thumb|'''Figur C''': En silicium pn-overgang med spærrespænding (omvendt forspænding).]]

I omvendt-bias bliver p-type halvlederen forbundet med den negative terminal - og n-type halvlederen bliver forbundet med den positive terminal.

Med et spændingskilde (fx batteri) forbundet så pn-overgangen får omvendt-bias, vil [[Elektronhul|huller]] i P-type zonen og [[elektron]]er i N-type zonen blive trukket væk fra overgangen. Dette øger [[spærrelagsbredde]]n. Det negative potentiale sat til P-type materialet tiltrækker huller, mens det positive potentiale sat til N-type materialet tiltrækker "frie" elektroner. Da elektroner og huller bliver trukket væk fra overgangen, vil spærrelaget blive breddere. Dette øger barrierens [[Elektrisk potentiale|potentiale]]. pn-overgangen virker her som isolator.

Hvis det elektriske felts gradient øges over et vist kritisk niveau, vil pn-overgangen spærrelag gennembrydes og strøm vil begynde at flyde, typisk ved enten en [[Zener-effekt]] eller [[avalanche-effekt]]. Disse fænomener er begge ikke-destruktive og er reversible, så længe strømstyrken ikke får halvlederen til at blive for varm. Hvis halvlederen bliver for varm vil det forårsage termiske skader.

Denne effekt anvendes i [[Zenerdiode]] stabiliserede regulatorkredsløb.

En anden anvendelse af omvendt-bias er [[kapacitetsdiode]]r, hvor bredden af spærrelaget (styret af pn-overgangsspændingen) ændrer diodens kapacitans.

==pn-overgangens egenskaber med rette eksterne fotoneksitation eller fotonafgivelse==
For at en pn-overgang kan blive belyst med - eller afgive fotoner med den rette bølgelængde, skal krystalindpakningen være gennemsigtig for de givne fotoner.

Der vil dog være et spændingsfald over PN uanset om pn-overgangen udsender eller optager fotoner - og dette spændingsfald vil afhænge af PN-halvledermaterialet, temperatur, aktive areal+tykkelse og strømstyrke/areal:<ref>[http://www.radio-electronics.com/info/data/semicond/leds-light-emitting-diodes/characteristics.php radio-electronics.com: LED Characteristics & Colours]</ref><ref>[http://www.oksolar.com/led/led_color_chart.htm oksolar.com: Technical LED's LED Color Chart]</ref>
{| class="wikitable"
|- bgcolor="#efefef"
! Hyppigst anvendte<br />[[halvleder]]materialer
! Spændingsfald<br />ca. Vf (V)<br />@ 20mA
! [[Bølgelængde]]<br />ca. nm
! Bemærkninger
|-
| Ge, [[Germanium]] <!-- Halvledermateriale -->
| 0,2-1,5 <!-- Spændingsfald -->
|  <!-- Bølgelængde -->
| Ensretterdioder. Anvendes næsten ikke mere. F.eks. OA91, AA119, AA143, 1N60, AAY10-120, OY101(aksialt hus uden gevind)<ref name="qsldioder">{{Cite web |url=http://www.qsl.net/dl7avf/semi/dioden.html |title=qsl.net/dl7avf : Dioden und Gleichrichter - Diodes and Rectifiers |access-date=19. marts 2015 |archive-date= 2. februar 2012 |archive-url=https://web.archive.org/web/20120202225939/http://www.qsl.net/dl7avf/semi/dioden.html |url-status=dead }} Citat: "...Germanium Rectifiers...OY101..."</ref><ref>[https://www.radiomuseum.org/tubes/tube_oy101.html radiomuseum.org: OY101] Citat: "...Germanium junction rectifier 50 V, 0.1 A....", [https://web.archive.org/web/20201126121903/https://www.radiomuseum.org/tubes/tube_oy101.html backup]</ref> <!-- Bemærkninger -->
|-
| [[Kobberoxid]] <!-- Halvledermateriale -->
| 0,2 (?mA) <!-- Spændingsfald -->
|  <!-- Bølgelængde -->
| Ensretterdioder. Anvendes næsten ikke mere.<ref name="faqCuoSelen">{{Cite web |url=http://www.avtechpulse.com/faq.html/IV.2/ |title=The Unusual Diode FAQ: IV.2 - Selenium and Copper Oxide diodes? |access-date=28. marts 2009 |archive-date=28. marts 2009 |archive-url=https://web.archive.org/web/20090328034719/http://www.avtechpulse.com/faq.html/IV.2/ |url-status=dead }}</ref><ref>[http://www.jmargolin.com/history/trans.htm The Road to the Transistor, By Jed Margolin] Citat: "...The copper oxide rectifier was invented in 1927 by L.O. Grondahl and P.H. Geiger...The selenium rectifier was invented in 1933 by C.E. Fitts..."</ref> <!-- Bemærkninger -->
|-
| [[Selen]]-baserede <!-- Halvledermateriale -->
| 0,5 (?mA) <!-- Spændingsfald -->
|  <!-- Bølgelængde -->
| Ensretterdioder. Anvendes næsten ikke mere.<ref name="faqCuoSelen"/> <!-- Bemærkninger -->
|-
| Si, [[Silicium]] <!-- Halvledermateriale -->
| 0,7 <!-- Spændingsfald -->
|  <!-- Bølgelængde -->
| Ensretterdioder. F.eks. OY101(aksialt hus med gevind)<ref name="qsldioder"/><ref>[https://www.web-bcs.com/diode/dc/oa/OY101.php web-bcs.com: OY101] Citat: "...[nederst] the OY101 is a silicon power rectifier..."</ref>, [[1N4007]], [[1N4148]], [[1N4448]], BY227 <!-- Bemærkninger -->
|-
| Si, [[Silicium]] <!-- Halvledermateriale -->
| 0,2-0,3 <!-- Spændingsfald -->
|  <!-- Bølgelængde -->
| [[Schottky-diode|Schottky-ensretterdioder]]. F.eks. BAT81, 1N5817, MBR160, MMBD770 <!-- Bemærkninger -->
|-
| SiC, [[Siliciumcarbid]] <!-- Halvledermateriale -->
| ca. 1 <!-- Spændingsfald -->
|  <!-- Bølgelængde -->
| [[SiC-Schottky-diode]]. F.eks. GB01SLT12-220<ref>{{Cite web |url=http://www.genesicsemi.com/images/products_sic/rectifiers/GB01SLT12-220.pdf |title=genesicsemi.com: GB01SLT12-220 |access-date=19. marts 2015 |archive-date= 2. april 2015 |archive-url=https://web.archive.org/web/20150402104843/http://www.genesicsemi.com/images/products_sic/rectifiers/GB01SLT12-220.pdf |url-status=dead }}</ref> <!-- Bemærkninger -->
|-
| GaAs Galliumarsenid, GaAlAs <!-- Halvledermateriale -->
| 1,2-1,9 <!-- Spændingsfald -->
| 850-940 <!-- Bølgelængde -->
| [[Infrarød]]e lysdioder og laserdioder <!-- Bemærkninger -->
|-
| GaAlAs, GaAsP, InGaAIP, GaP <!-- Halvledermateriale -->
| 1,6-2,0 <!-- Spændingsfald -->
| 610-760 <!-- Bølgelængde -->
| Røde lysdioder <!-- Bemærkninger -->
|-
| GaAsP, InGaAIP, GaP <!-- Halvledermateriale -->
| 2,0-2,1 <!-- Spændingsfald -->
| 590-610 <!-- Bølgelængde -->
| Orange og ravfarvede lysdioder <!-- Bemærkninger -->
|-
| GaAsP, AlGaInP, GaP <!-- Halvledermateriale -->
| 2,1-2,2 <!-- Spændingsfald -->
| 570-590 <!-- Bølgelængde -->
| Gule lysdioder <!-- Bemærkninger -->
|-
| GaP, AlGaInP, AlGaP <!-- Halvledermateriale -->
| 1,9-4,0 <!-- Spændingsfald -->
| 500-570 <!-- Bølgelængde -->
| Grønne lysdioder <!-- Bemærkninger -->
|-
| InGaN, SiC <!-- Halvledermateriale -->
| 2,5-3,7 <!-- Spændingsfald -->
| 450-500 <!-- Bølgelængde -->
| Blå lysdioder og laserdioder - inkl. hvide lysdioder <!-- Bemærkninger -->
|-
| InGaN <!-- Halvledermateriale -->
| 2,8-4,0 <!-- Spændingsfald -->
| 400-450 <!-- Bølgelængde -->
| Violette lysdioder <!-- Bemærkninger -->
|-
| AlN, AlGaN, AlGaInN <!-- Halvledermateriale -->
| 3,1-4,1 <!-- Spændingsfald -->
| <400 <!-- Bølgelængde -->
| Ultraviolette lysdioder <!-- Bemærkninger -->
|}

=== Ingen forspænding; med fotoneksitation ===
pn-overgangen vil her opføre sig som en [[fotodiode]] og [[solcelle]], hvor spændingen vil stige grundet fotonabsorbtion og afhængig af ydre belastning og belysningsstyrke og foton-bølgelængde.

Selv [[lysdiode]]r kan opføre sig som fotodioder og solceller.

=== Med spærrespænding; med fotoneksitation ===
Denne anvendelsestilstand gør at (fx) en fotodiode reagerer hurtigere på lysændringer. Dette er nyttig i f.eks. [[optisk fiber]] modtagere. Fotostrømmen er nogenlunde lineart afhængig af lysstyrken.
<ref name="hyperphysics">[http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Electronic/photdet.html HyperPhysics: Photodetectors]</ref>

=== Med forspænding; med fotonudsendelse ===
Når der påtrykkes en positiv spænding over PN, vil elektronerne løbe gennem N til NP-zone, og hullerne vil løbe gennem P til NP-zone fra den anden side. Det resulterer i at elektroner og hullerne [[annihilere]]r under udsendelse af [[foton]]er. Men disse fotoner kan blive absorberet af krystalnærområderne og blive omsat til termisk [[varme]], hvis krystalnærområderne ikke er designet favorabelt.

pn-overgangen kan her opføre sig som en [[monokrom]]atisk (infrarød, synligt lys eller UV)-[[lysdiode]] eller [[laserdiode]].

==pn-overgang anekdoter==
===Utilsigtet fotodiodevirkning===
[[Raspberry Pi 2]] fra 2015 har en lille regulatorkreds, som er gennemsigtig for lys. Det resulterer i at Raspberry Pi 2 går ned hvis den bliver [[xenon-blitz]]et - andre skriver, at Raspberry Pi 2 er blitz- og laser-sky.<ref>[http://www.version2.dk/artikel/blitz-kan-crashe-raspberry-pi-2-77068 10. februar 2015, version2.dk: Blitz kan crashe Raspberry Pi 2]</ref><ref>[http://www.raspberrypi.org/xenon-death-flash-a-free-physics-lesson/ raspberrypi.org: Xenon Death Flash: a free physics lesson] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20150317073901/http://www.raspberrypi.org/xenon-death-flash-a-free-physics-lesson/ |date=17. marts 2015 }} Citat: "...Importantly, it’s ONLY really high-intensity bursts like xenon flashes and laser pointers that will cause the issue. Other bright lights – even camera flashes using other technologies – won’t set it off...This component that’s causing the issue is in a WL-CSP package: a bare [[Halvleder-mikrochip|silicon die]] which has solder balls attached...Silicon junctions (the types that are responsible for making diodes and transistors and other such electronic miracles function) can be ‘upset’ by this photoelectric effect if it is large enough (i.e. if enough light of the right energy [i.e. colour] is fired at them). This seems to be what is happening to our power supply chip..."</ref> Det skyldes fotodiode- og solcelle-effekten og bevirker at regulatorkredsen slukker processoren, ved kraftig infrarød belysning.

===Tilsigtet (?) fotodiodevirkning===
[[File:Early bipolartransistor.jpg|thumb|OC603 transistor fra Telefunken med afskrabet maling.]]
[[File:OCP71, emitter side.jpg|thumb|OCP71 fototransistor]]
Det forlød (fra midt 1960'erne og frem) at den eneste forskel på den [[bipolare transistor]] med produktkoden OC71 - og [[fototransistor]]en OCP71, var fraværet af sort maling på OCP71.<ref>[http://www.wylie.org.uk/technology/semics/Mullard/Mullard.htm wylie.org.uk: Mullard Semiconductors] Citat: "...It is well-known that semiconductor junctions can be light-sensitive, and there is a widely repeated story that the OCP71 was just an ordinary OC71 without the black paint ('dope'). Because the OCP71 was more expensive, some people just scraped the paint off an OC71, to create an equivalent to the OCP71. The story then claims that Mullard changed the filler in the capsules from clear to opaque, to prevent this practice...Thanks to correspondence with an ex-Mullard employee from the Mitcham works, I now know that this story is entirely wrong..."</ref> Da OCP71 var dyrere end OC71, købte folk som havde brug for en fototransistor blot en OC71 og skrabede malingen af. Det hævdes så, at producenten Mullard opdagede dette og herefter fyldte OC71 med et uigennemsigtigt fyldmateriale, så OC71 ikke mere kunne benyttes som en fototransistor. Denne anekdote er dog usand. Faktisk blev de kasserede indpakkede OCP71 gentestet. Hvis de opfyldte kravene som andre OCxx transistorer, blev de malet med sort maling og solgt som OCxx.

I denne kilde<ref>[http://www.radiomuseum.org/tubes/tube_ocp71.html radiomuseum.org: OCP71] Citat: "... PNP germanium transistor OC71 without black paint intended as photo-transistor. Red dot indicates collector..."</ref> står der at en OCP71 "blot" er en OC71 uden sort maling...

==Se også==
* [[Delokaliseret elektron]]
* [[Diode]] og [[wikt:junction diode|pn-overgangsdiode]]
* [[Diodemodellering]]
* [[Halvleder]]
** [[Halvlederkomponent]]
** [[n-type halvleder]]
** [[p-type halvleder]]
* [[Transistor]]
** [[Felteffekttransistor]]
** [[Bipolar transistor]]
*** [[Legeringsovergang transistor]]
*** [[PNP-transistor]]
*** [[NPN-transistor]]
** [[Transistor-transistor logik]]
* [[pn-diode]]
* [[Solcelle]]
* [[Halvlederdetektor]]

==Kilder/referencer==
{{reflist}}

==Yderligere læsning==
* {{cite journal |last1=Shockley |first1=William |year=1949 |title=The Theory of p-n Junctions in Semiconductors and p-n Junction Transistors |journal=Bell System Technical Journal |volume=28 |issue=3 |pages=435–489 |url=http://www3.alcatel-lucent.com/bstj/vol28-1949/bstj-vol28-issue03.html |access-date=12. juni 2013 |doi=10.1002/j.1538-7305.1949.tb03645.x}}

==Eksterne henvisninger==
{{Commonskat|PN-junction diagrams}}
* https://www.youtube.com/watch?v=JBtEckh3L9Q Educational video on the P-N junction.
* [http://www.powerguru.org/2012/08/22/p-n-junction/ "P-N Junction"]{{Dead link|date=januar 2022 |bot=InternetArchiveBot |fix-attempted=yes }} – PowerGuru, August, 2012.
* Olav Torheim, ''[http://web.ift.uib.no/~torheim/pnsjikt.pdf Elementary Physics of P-N Junctions] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20120210214029/http://web.ift.uib.no/~torheim/pnsjikt.pdf |date=10. februar 2012 }}'', 2007.
* [http://www.ee.byu.edu/cleanroom/pn_junction.phtml PN Junction Properties Calculator] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20090420084422/http://ee.byu.edu/cleanroom/pn_junction.phtml |date=20. april 2009 }}
* [http://nanohub.org/tools/pntoy PN Junction Lab] free to use on [http://nanohub.org nanoHUB.org] allows simulation and study of a P-N junction diode with different doping and materials. Users can calculate current-voltage (I-V) & capacitance-voltage (C-V) outputs, as well.

{{Autoritetsdata}}

[[Kategori:Halvlederstrukturer]]