PN juntura

PN juntura (edo PN lotura) erdieroale izeneko osagai elektronikoen oinarrizko egitura da eta gaur egungo elektronika modernoaren zutabe nagusietako bat. Egitura hau funtsezkoa da gailu diskretuetan, batez ere diodo eta transistoreen (bai bipolarren eta bai efektu-eremukoen) funtzionamenduan, baita optoelektronikan (LED, laserrak) eta eguzki-energia fotovoltaikoan ere.

Fisikoki bi kristal erdieroaleren elkarketa metalurgikoa da: bata P motakoa (positiboa, non karga-eramaile nagusiak hutsuneak diren) eta bestea N motakoa (negatiboa, non karga-eramaile nagusiak elektroiak diren). Material hauek sortzeko oinarri gisa elementu erdieroale puruak erabiltzen dira, gehienetan Silizioa (Si), bere ugaritasunagatik eta propietate termikoengatik, nahiz eta Germanioa (Ge) eta Galio-Artseniuroa (GaAs) ere aplikazio zehatz batzuetan erabiltzen diren. Izaera elektriko zehatz hori lortzeko (P edo N), kristal puruak dopatu egiten dira; hau da, beste elementu kimiko batzuen ezpurutasunak nahita eta modu kontrolatuan sartzen zaizkie egitura atomikoa eta propietate elektrikoak aldatzeko.

PN junturaren ezaugarririk garrantzitsuena bere portaera ez-lineala da: korronte elektrikoa noranzko batean pasatzen uzten du erraztasun handiz, baina kontrako noranzkoan blokeatu egiten du. Ezaugarri horri esker funtzionatzen dute artezgailuek, eta horregatik esaten da juntura hau balbula elektroniko baten antzekoa dela.

 Informazio orokorra 

N motako material bat eta P motako beste bat fisikoki elkartzen direnean (ez da nahikoa bata bestearen ondoan jartzea; kristal-egitura jarraitua izan behar da), fenomeno fisiko konplexu bat gertatzen da bien arteko mugan. Bat-bateko kontaktu horretan, bi korronte mota lehiatzen dira oreka lortu arte: difusio-korrontea eta arraste-korrontea.

Hasiera batean, N aldean elektroi aske asko daude (kontzentrazio handia), eta P aldean, aldiz, oso gutxi. Naturan, partikulek kontzentrazio handiko guneetatik kontzentrazio txikiko guneetara migratzeko joera dute. Hori dela eta, N aldeko elektroi askeek (gehiegizkoak direnak) P alderantz migratzen edo barreiatzen dute. Aldi berean, fenomeno bera gertatzen da alderantziz: P aldean dauden hutsuneak (karga positibo baliokideak) N alderantz mugitzen dira. Mugimendu honi difusio-korronte deritzo.

Elektroiak P alderantz joatean N aldeko sare kristalinoan zeuden atomo emaileek karga negatiboa galtzen dute eta, ondorioz, ioi positibo finko gisa agerian geratzen dira sarean inguratuta. Era berean, hutsuneak N alderantz mugitzean, P aldean zeuden atomo hartzaileek elektroi bat irabazten dute (hutsunea betetzen delako), eta ioi negatibo finko bihurtzen dira. Ioi hauek ezin dira mugitu, kristal-sarearen parte direlako.

Karga finko horien agerpenak (positiboak N aldean eta negatiboak P aldean) eremu elektriko indartsu bat sortzen du bi materialen arteko mugan. Eremu elektriko horri ahultze-eremu, karga-espazio eremu edo trantsizio-eremu deritzo. Eremu horrek hesi bezala jokatzen du: sortzen den eremu elektrikoak karga-eramaileen (elektroien eta hutsuneen) difusioa oztopatzen du. Azkenean, difusio-indarra eta eremu elektrikoaren indarra berdindu egiten dira eta oreka termiko egoerara iristen dira. Eremu elektriko horrek potentzial-diferentzia (tentsioa) eragiten du junturan, kanpoko tentsiorik aplikatu gabe ere badagoena.

 Silizio purua edo intrintsekoa 


Siliziozko kristalak atomoen sare ordenatu eta errepikakor bat osatzen dute; alegia, diamantearen egitura bera jarraitzen dute. Silizio atomo bakoitzak 4 balentzia-elektroi ditu kanpoko geruzan eta ondoko beste lau atomorekin lotura kobalenteak osatzen ditu. Egoera idealean (0 Kelvin gradutan), elektroi guztiak lotura horietan harrapatuta daude eta materialak isolatzaile perfektu gisa jokatzen du, ez baitago korrontea garraiatuko duen partikula askerik.

Hala ere, tenperatura igo ahala, egoera aldatu egiten da. Testuinguru honetan, kontzeptu garrantzitsu bat agertzen da: hutsunea. Ingurune-tenperaturan, sareko bibrazio termikoek energia nahikoa eman diezaiekete elektroi batzuei lotura kobalentea hausteko. Elektroi batek bere balentzia-geruza uzten duenean, askatu egiten da eta kristalean zehar libre mugi daitekeen elektroi aske bihurtzen da (eroapen-bandara pasatzen da). Elektroi horrek utzitako lekuari hutsune deritzo.

Hutsunea ez da partikula fisiko bat, baizik eta elektroi baten falta, baina eredu matematikoetan eta fisikoetan karga positiboko partikula bat balitz bezala jokatzen du. Prozesu horri elektroi-hutsune bikotearen sorrera deritzo. Erdieroale puru edo intrintseko batean (dopatu gabea), tenperatura konstante mantentzen bada, elektroi askeen kopurua eta hutsuneen kopurua berdina da, bikoteka sortzen direlako. Eroankortasuna oso txikia izaten da material intrintsekoetan, horregatik da beharrezkoa dopatze prozesua.

 P motako silizio estrintsekoa 

P motako erdieroale bat lortzeko dopatze prozesua erabiltzen da. Prozesu honetan, silizio puruaren egitura kristalinoan aldaketa txiki bat egiten da: silizio atomo batzuk (milioi bakoitzeko gutxi batzuk) beste elementu kimiko bateko atomoekin ordezkatzen dira. P motarako, balentzia-elektroi gutxiago dituzten elementuak erabiltzen dira, normalean tribalenteak (3 elektroi balentzia-geruzan), adibidez, Boroa (B), Galioa (Ga) edo Indioa (In).

Dopatzearen helburua karga-eramaile libreak masiboki handitzea da, kasu honetan, hutsuneak (karga positibo gisa jokatzen dutenak). Ezpurutasun horiei hartzaile deritze elektroiak hartzeko joera dutelako. Boro atomo bat siliziozko sarean sartzean, bere hiru elektroiak ondoko silizio atomoekin lotzen dira, baina laugarren lotura bat osatu gabe geratzen da elektroi bat falta delako. Falta horrek hutsune bat sortzen du.

Hutsune hori ez da tenperaturaren ondorioz sortu, baizik eta materialaren konposizio kimikoagatik, beraz, ingurune-tenperaturan hutsune asko daude eskuragarri korrontea garraiatzeko.

Ondorioz, P motako materialean:

 Hutsuneak dira gehiengo karga-eramaileak (nagusiak).

 Elektroiak dira gutxiengo karga-eramaleak (tenperaturagatik sortutakoak bakarrik).

Naturan ere gertatzen da fenomeno hau. Adibidez, diamante urdinek kolore hori dute karbono-sarean Boro ezpurutasunak dituztelako, eta horrek erdieroale bihurtzen ditu.

 N motako silizio estrintsekoa 

N motako erdieroale bat sortzeko, kontrako prozesua egiten da. Silizioa lehentasunezko elementu batekin dopatzen da (5 elektroi balentzia-geruzan); hala nola Fosforoa (P), Artsenikoa (As) edo Antimonioa (Sb).

Helburua elektroi askeen kopurua handitzea da. Ezpurutasun hauei emaile deritze, siliziozko sareari elektroi gehigarri bat ematen diotelako. Silizio atomo baten ordez Fosforo atomo bat jartzean, bere bost elektroietatik lauk lotura kobalenteak osatzen dituzte ondoko silizioekin (egitura mantenduz), baina bosgarren elektroiak ez du norekin lotu. Elektroi hori oso lotura ahulean geratzen da eta energia gutxirekin askatu eta sarean zehar mugitzen hasten da.

Ondorioz, N motako materialean:

 Elektroiak dira gehiengo karga-eramaileak (karga negatiboa).

 Hutsuneak dira gutxiengo karga-eramaileak.

Materiala elektrikoki neutroa da orokorrean. Nahiz eta elektroi aske asko izan, elektroi bakoitzeko protoi bat gehiago duen ioi positibo finko bat dago sarean (Fosforo atomoaren nukleoa).

 Barne-potentzialeko hesia 


Bi kristalak (P eta N) fisikoki elkartzean, lehen aipatutako difusio-prozesua gertatzen da: N aldeko elektroiak P aldera pasatzen dira kontzentrazio-gradientearen ondorioz.

Elektroi horiek P aldera iristean, hango hutsuneekin birkonbinatu egiten dira. Hau da, elektroi askeak hutsunean erortzen dira eta lotura kobalenteak osatzen dituzte. Birkonbinazio horren ondorioz, junturaren inguruko eremuan karga-eramaile libreak desagertu egiten dira. Eremu horri izen desberdinak ematen zaizkio: barne-potentzialeko hesia, karga-espazio eremua edo ahultze-eremua (eramailerik gabe ahulduta dagoelako).

Difusioak aurrera egin ahala, eremu hori zabaldu egiten da, baina ez da infinitua. N aldean pilatutako ioi positiboek (elektroiak galdu dituztenak) eta P aldeko ioi negatiboek (elektroiak irabazi dituztenak) eremu elektriko indartsu bat sortzen dute. Eremu honek indar bat eragiten du elektroi askeen aurka: N aldeko elektroiek P aldera joan nahi dute difusioz, baina eremu elektrikoak atzera bultzatzen ditu (karga negatiboak karga negatiboa aldaratzen du). Azkenean, difusio-indarra eta eremu elektrikoaren indarra berdindu egiten dira eta mugimendu garbia gelditu egiten da.

Eremu elektriko horrek tentsio-diferentzia bat sortzen du bi aldeen artean, hesi bezala jokatzen duena. Hesi hori gainditzeko (elektroiek zeharkatu ahal izateko) behar den gutxieneko tentsioa materialaren araberakoa da:

 0,6 V - 0,7 V inguru Silizioaren kasuan.

 0,2 V - 0,3 V inguru Germanioaren kasuan.

 1,8 V - 3,3 V inguru LED motako materialetan (kolorearen arabera).

 PN junturaren polarizazio zuzena 

Kasu honetan, kanpoko tentsio-iturri bat (bateria edo elikatze-iturria) konektatzen da junturara honela: bateriaren polo positiboa P eremura (anodoa) eta polo negatiboa N eremura (katodoa).

Konexio honek junturaren barne-oreka hausten du:

 Polo negatiboak N aldeko elektroi askeak bultzatzen ditu junturarantz (karga berdinak aldaratzen direlako).

 Polo positiboak P aldeko hutsuneak bultzatzen ditu junturarantz.

Presio horren ondorioz, barne-potentzialeko hesia edo ahultze-eremua estutu eta txikitu egiten da. Kanpoko bateriaren tentsioa nahikoa bada (lehen aipatutako 0,7 V silizioan, tentsio-atari edo tentsio-atalase deritzona), elektroiek energia nahikoa lortzen dute barne-eremua gainditzeko eta P alderantz masiboki salto egiteko.

Behin elektroiak P aldera igarota, eta hutsuneak N aldera igarota, korronte elektriko jarraitu bat ezartzen da zirkuituan. Elektroi horiek zirkuitu osoa zeharkatzen dute. Prozesu honetan, elektroiak eta hutsuneak birkonbinatu egiten dira junturan, eta energia hori askatu egiten dute. Siliziozko diodoetan energia hori bero gisa askatzen da, baina beste material batzuetan (Galio-Artseniuroan, adibidez), energia hori argi gisa askatzen da: hori da LED (Light Emitting Diode) baten oinarria.

Laburbilduz: polarizazio zuzenean, eta atalase-tentsioa gaindituz gero, diodoak erresistentzia oso txikia du eta elektrizitatea eroaten du.

 PN junturaren alderantzizko polarizazioa 

Kasu honetan, bateria alderantziz konektatzen da: polo negatiboa P eremura eta polo positiboa N eremura. Ezarpen hau zirkuituak babesteko edo seinaleak kontrolatzeko erabiltzen da askotan.

Honek zuzeneko polarizazioaren kontrako efektua du:

 Polo positiboak N aldeko elektroi askeak erakartzen ditu, junturatik urrunduz (bateriaren aldera eramanez).

 Polo negatiboak P aldeko hutsuneak erakartzen ditu, junturatik urrunduz.

Karga-eramaileak junturatik urruntzen direnez, erdiko ahultze-eremua zabaldu egiten da. Zenbat eta tentsio handiagoa aplikatu, orduan eta zabalagoa da eremu isolatzaile hori. Ondorioz, barne-potentzial hesia handitu egiten da, elektroien pasabidea erabat galaraziz. Egoera honetan, diodoak etengailu ireki baten moduan jokatzen du eta ez du korronterik eroaten.

Salbuespenak eta ihes-korronteak:

Teorikoki korrontea zero izan beharko litzatekeen arren, errealitatean korronte oso txiki bat existitzen da, asetasun-korronte edo ihes-korronte deritzona (mikroampere edo nanoampere ordenakoa). Korronte hau ez da bateriaren polaritatearen ondorioz sortzen, baizik eta tenperaturaren eraginez. Tenperaturak bibrazioak sortzen ditu sarean eta noizean behin elektroi-hutsune bikoteak sortzen dira ahultze-eremuaren barruan. Eremu elektriko indartsuak partikula hauek berehala xurgatzen ditu eta korronte txiki hori sortzen da. Tenperatura igotzen bada, ihes-korronte hau ere handitu egiten da eta osagaiaren funtzionamendua kaltetzen du.

Gainera, alderantzizko tentsioa gehiegi igotzen bada, junturak bere muga fisikoa gaindi dezake. Puntu horri haustura-tentsio deritzo. Tentsio horretan, bi fenomeno gerta daitezke:

 Zener efektua: Eremu elektrikoa hain da indartsua, non elektroiak zuzenean lotura kobalenteak matxura ditzakeen (hau nahita bilatzen da Zener diodoetan tentsioa erregulatzeko).

 Jausi efektua (Avalanche): Ihes-korronteko elektroi batek hainbesteko abiadura hartzen du, non beste atomo baten kontra talka egitean beste elektroi bat askatzen duen. Elektroi berri horiek ere azeleratu eta beste batzuk askatzen dituzte, kate-erreakzio bat sortuz eta korrontea bat-batean handituz. Honek osagaia suntsitu dezake korrontea mugatzen ez bada.

 Erreferentziak 

 Ikus, gainera 

 Erdieroale

 Eguzki-zelula

 Eguzki-energia fotovoltaiko

 Diodoa

 Zener diodoa

 LED

 Elektronika

 Karga elektriko

 Transistorea
 Kanpo estekak 

 PN junturaren azalpena (gaztelaniaz)

 PN junturaren funtzionamendua azaltzen duen bideoa (Youtube)

Kategoria: Elektrizitatea
Kategoria: Fisika
Kategoria: Erdieroaleak
Kategoria: Osagai elektronikoak