Pn-siire

Pn-siire on monokristallilise pooljuhi ala, milles toimub üleminek aukjuhtivuselt (p-juhtivuselt) elektronjuhtivusele (n-juhtivusele). Niisuguse ülemineku eriomaduseks on tõkkekihi moodustumine negatiivse ja positiivse ruumlaengu mõjul. Selline tõkkekiht annab pn-siirdele ventiiliomaduse: välise pinge rakendamisel laseb siire voolu läbi ainult ühes suunas. Pn-siiret kasutatakse mitut eri liiki dioodides ja muudes pooljuhtseadistes. Pn-siirdega elektronseadiste talitluseks on vaja, et pooljuhi ühes piirkonnas oleksid ülekaalus positiivse (p) laengu kandjad (augud) ja vahetult selle kõrval asuvas piirkonnas negatiivse (n) laengu kandjad (elektronid). Sellise olukorra saab luua sobiva lisandaine aatomite legeerimise (manustamise) teel pooljuhi kristallivõresse (vt lähemalt: Pooljuhid elektroonikas). Joonisel on pn-siire näidatud musta piirjoonena aukjuhtiva ja elektronjuhtiva kihi vahel. Kollasega näidatud alal ei ole vabu laengukandjaid. P-kihil on elektronide vähesuse tõttu lisandite aatomite elektronkattes positiivne elektrilaeng ja n-kihil elektronide rohkuse tõttu negatiivne laeng. Välise pinge puudumisel valitseb mõlemas pooles laengute tasakaal: niipalju kui on vabu laengukandjaid, niipalju on ka paikseid ioniseeritud aatomeid. Et vastasnimelised laengud tõmbuvad, siis siirde läheduses olevad elektronid täidavad peagi ligemad augud ja laenguta ala siirde ümber laieneb. Positiivsete ja negatiivsete laengute vaheline kaugus suureneb ning elektronid sellest piirkonnast enam läbi ei lähe. Laenguga osakesed jäävad seega siirdest kaugele, sest elektrilised tõmbejõud aukude ja elektronide vahel ei mõju enam vahemaa suuruse tõttu erinimeliste laengute vahel. Laengute tõttu tekib p- ja n-kihi vahele sisemine potentsiaal, mille suurus sõltub ainest (germaaniumi korral ligikaudu 0,3 volti; räni puhul pisut üle 0,6 voldi). Kui rakendada n-kihile positiivne ja p-kihile negatiivne pinge, siis vastaslaengud tõmbuvad mõlemal kihi otstel (siirdest kaugel) ja suurendavad laenguta ala ehk tekitavad tõkkekihi, mis oma suuruse tõttu ei lase elektrivoolu läbi, sest vastaskihtides olevate laengute tõmbejõud ei ole piisavad selle ületamiseks. Reaalses vastupingestatud pn-siirdes on alati lekkevool, mis eksisteerib sõltumata vastupinge väärtusest. Teatud vastupinge ületamisel pooljuhis läbivad laengud massiliselt siirde vastassuunas ja toimub läbilöök. Selle vastupinge väärtus sõltub pooljuhi valmistamise tehnoloogiast. Kui aga n-kihile rakendada negatiivne ja p-kihile positiivne pinge, mis on suurem kui iseeneslikult tekkiv pinge (germaaniumil ligikaudu 0,3 volti, ränil natuke üle 0,6 voldi), siis tõkkekiht väheneb, pinge "tõukab" elektronid samasuguse laengu tõttu siirde poole ja laengud saavad siiret ületada, sest vastaslaengud tõmbuvad. Edasi liiguvad siirde läbinud laengud siirdest eemale. Pn-siirde n-piirkonnas on elektronide kontsentratsioon mitu suurusjärku suurem kui p-piirkonnas. Seetõttu tungib teatud osa kaootilises soojusliikumises olevaid elektrone sealt p-piirkonda, s.t toimub elektronide difusioon. Samuti difundeeruvad augud oma paiknemistiheduse ühtlustamiseks p-piirkonnast n-piirkonda ja rekombineeruvad seal elektronidega.. See protsess ei saa siiski kulgeda seni, kuni kumbagi liiki laengukandjate kontsentratsioon ühtlustuks kogu kristalli struktuuris. Nimelt jääb n-piirkonna äärest lahkunud elektronidest maha nendega võrdne arv paikseid positiivseid doonoriioone (ilma elektronita aatomeid), nagu ka p-piirkonna äärest eemalduvate aukude tõttu tekivad seal negatiivsed aktseptoriioonid (augu lahkumine tähendab tegelikult seda, et tühja koha kovalentsidemes hõivab elektron). Need kompenseerimata laengud erineva juhtivustüübiga piirkondade eralduspiiri juures moodustavad ruumlaengud ‒ n-juhtivusega materjalis positiivse ruumlaengu ning p-materjalis negatiivse ruumlaengu. Kuna ioonid on kristallivõres liikumatult paigal, moodustavad need vastandmärgiliste ruumlaengute piirkonnad oma elektrivälja, mis pidurdab difundeeruvaid enamuslaengukandjaid, pannes niiviisi piiri nende edasisele difusioonile. Selle kohaliku elektrivälja pidurdavat mõju enamuslaengukandjatele võib vaadelda potentsiaalibarjäärina. Ruumlaengute elektrivälja toimel kujunevat tõkkekihti nimetataksegi pn-siirdeks. Siirde ulatuses laengukandjad peaaegu puuduvad (joonisel polegi neid näidatud). Üksikutele vähemuslaengukandjatele (p-piirkonna elektronidele ja n-piirkonna aukudele) mõjub väli kiirendavalt ning nad läbivad siirde takistamatult; nende laengute liikumine moodustab triivvoolu. Siirde piirkonnas leidub suure soojusliku liikumisenergiaga enamuslaengukandjaid, mis läbivad siirde selle välja tõkestavast toimest hoolimata. Nii kujuneb difusioonvool. Välise pinge puudumisel on nimetatud vastassuunalised voolud ‒ triivvool ja difusioonvool ‒ võrdsed ja nende summa null, seega siiret läbiv koguvool on võrdne nulliga. Triiv- ja difusioonvoolu tasakaal kaob pn-siirde pingestamisel. Kui ühendada p-juhtivusega piirkond vooluallika positiivse poolusega ja n-juhtivusega piirkond negatiivse poolusega, s.t. rakendada siirdele päripinge, mõjub väline elektriväli sisemisele vastu, alandades potentsiaalibarjääri. Seetõttu on rohkem elektrone suutelised difundeeruma läbi tõkkekihi p-piirkonda; samal põhjusel tugevneb ka aukude difusioon vastassuunas. Resulteeriv difusioonvool on juba madalal pingel (u 0,3 V Ge- ja 0,7 V Si-siirde korral) küllalt tugev. Et nii elektronid kui augud difundeeruvad piirkonda, kus nad osutuvad vähemuslaengukandjaiks, on tegemist vähemuslaengukandjate injektsiooniga. Siirdele vastupinge rakendamisel liitub väline elektriväli siirde oma väljaga samasuunaliselt. Tulemusena muutub potentsiaalibarjäär sedavõrd kõrgeks, et enamuslaengukandjate difusioon lakkab. Vähemuslaengukandjad läbivad siirde küll takistamatult, kuid et neid tekib toatemperatuuril vähe, jääb vastuvool nõrgaks. Ränisiirete korral on vastuvool pärivoolust miljoneid kordi väiksem. Enamasti valmistatakse siirded ebasümmeetrilisena, mispuhul ühes piirkonnas on enamuslaengukandjate kontsentratsioon sadu või tuhandeid kordi suurem kui teises. Pooljuhtdioodidel on enamasti tugevamini legeeritud p-juhtivusega piirkond; seda nimetatakse ka emitteriks. Vähemlegeeritud (vaadeldaval juhul n-) piirkond on siis baas. Siirde pärivool sõltub pingest ligikaudu eksponentsiaalselt. Vastuvool tugevneb pinge tõstmisel algul aeglaselt, alates teatud piirpingest ‒ läbilöögipingest ‒ kiiresti. Samuti kasvab vastuvool kiiresti siirde soojenemisel, sest suureneb vähemuslaengukandjate arv. Ka pärivool tugevneb temperatuuri tõustes. Seejuures on päripinge temperatuuritegur negatiivne, keskmiselt ‒2 mV/K, seega püsiva pärivoolu korral alaneb päripingelang siirdel 2 mV temperatuuri tõusu iga kraadi kohta. Peale senivaadeldud pn-siirde saab pooljuhtides luua ka teistsuguseid piirkondi, kus laengukandjate kontsentratsioonid tugevasti erinevad ja annavad üleminekule ühesuunalise juhtivuse. Näiteks pi- või ni-siire moodustatakse puhtast pooljuhist ja lisanditega pooljuhist. Puhtal pooljuhil on omajuhtivus i (inglise k sõnast intrinsic), külgnevas piirkonnas aga p- või n-tüüpi lisandjuhtivus. Siire võib kujuneda ka ühe ja sama juhtivustüübiga pooljuhtide vahel. Kui pooljuhi ühes kihis on enamuslaengukandjaid tuhandeid kordi rohkem kui samatüübilise juhtivusega naaberkihis, kujuneb nende kihtide vahel p+p- või n+n -siire. Teatud materjalivaliku korral saadakse ühesuunalise juhtivusega kontakt metalli ja pooljuhi kokkupuutepinnas. Nii kujunevat üleminekut nimetatakse Schottky kontaktiks ehk Schottky barjääriks.  Pikemalt artiklis Schottky barjäär Heterosiire on üleminekukiht kahe erisuguse keemilise koostisega pooljuhtmaterjali vahel. Heterosiirdeid kasutatakse näiteks laserdioodides.  Pikemalt artiklis Heterosiire Pooljuht Ruumlaeng Pooljuhtdiood. Eesti entsüklopeedia, 7. kd, lk 410 Lembit Abo. Elektroonikakomponendid. 1997, lk 9‒11 p-n siire