Potentiaalverschil dat in de uitputtingslaag van een pn-junctie bestaat zonder dat er een externe spanning wordt aangelegd. In silicium ongeveer 0,6 tot 0,8 V; het vormt een barrière die de diffusie van ladingdragers stopt.
Japanse benaming: 内蔵電位
Vakgebied: PN-overgang en diode
Vóór het contact ligt het ferminiveau van n-type silicium dicht bij de geleidingsband en dat van p-type silicium dicht bij de valentieband. Wanneer beide worden samengevoegd, diffunderen elektronen van de n-zijde naar de p-zijde en gaten de andere kant op, waarbij vaste geïoniseerde donoren (positief) en acceptoren (negatief) achterblijven. Deze lading in de depletielaag wekt een elektrisch veld op dat ladingsdragers terugduwt, en het evenwicht is bereikt wanneer drift de diffusie precies opheft en de ferminiveaus op één lijn liggen. De resulterende bandbuiging, gedeeld door de elektronlading q, is de ingebouwde spanning Vbi.
Voor een niet-ontaarde overgang geldt Vbi = (kT/q)·ln(NA·ND / ni²), waarbij NA en ND de acceptor- en donorconcentraties zijn en ni de intrinsieke ladingsdragerconcentratie. Met kT/q van ongeveer 26 mV bij kamertemperatuur voegt elke vertienvoudiging van de dotering maar ongeveer 60 mV toe, dus siliciumovergangen liggen doorgaans tussen ongeveer 0,6 en 0,9 V; NA = ND = 10¹⁷ cm⁻³ geeft ruwweg 0,83 V. Materialen met een bredere bandgap hebben een veel kleinere ni en dus een grotere Vbi. Omdat beide ferminiveaus binnen de bandgap blijven, blijft Vbi in volt onder de bandgap, tenzij beide zijden ontaard gedoteerd zijn.
Voorwaartse voorspanning, met de p-zijde positief, werkt de ingebouwde spanning tegen en verlaagt de barrière tot Vbi − V, zodat de geïnjecteerde stroom exponentieel stijgt. Sperspanning telt erbij op, en voor een eenzijdige abrupte overgang is de depletiebreedte W = √(2ε(Vbi + V)/qN), waarbij N de lichtere dotering is. Het veld heeft zijn piek op de metallurgische overgang, en het oppervlak onder het driehoekige veldprofiel is gelijk aan Vbi + V. Omdat de junctiecapaciteit εA/W is, is een grafiek van 1/C² tegen de sperspanning een rechte lijn waarvan de helling N geeft en het snijpunt met de spanningsas Vbi.
Een voltmeter over een diode zonder voorspanning geeft nul aan, omdat de metaal-halfgeleidercontacten aan elke aansluiting hun eigen contactpotentialen hebben die Vbi rond de lus precies opheffen; anders zou een component in evenwicht vermogen kunnen leveren. Vbi verschilt ook van de voorwaartse diodespanning van ruwweg 0,6–0,7 V die voor silicium wordt genoemd; dat is de voorspanning waarbij de stroom noemenswaardig wordt, en die hangt af van het stroomniveau en de temperatuur. Dezelfde uitlijning van ferminiveaus die in een pn-overgang Vbi oplevert, levert in een MOS-structuur de vlakkebandspanning op en in een schottkycontact de barrière.
Nee. De contactpotentialen bij de metalen aansluitingen heffen haar op, dus een diode zonder voorspanning geeft nul aan. Vbi wordt in plaats daarvan meestal afgeleid uit capaciteit-spanningsmetingen.
Een hogere dotering aan een van beide zijden verhoogt Vbi, maar slechts logaritmisch: een vertienvoudiging van de dotering voegt bij kamertemperatuur ongeveer 60 mV toe.
Nee. Ze hangen samen, maar de voorwaartse spanning is de aangelegde voorspanning die nodig is voor een praktisch bruikbare stroom en is meestal iets lager dan Vbi, en ze varieert met stroom en temperatuur.
Diffusiecapaciteit Geleidbaarheidsmodulatie Idealiteitsfactor Junctiecapaciteit (depletiecapaciteit) Lawinedoorslag (avalanche breakdown) Ohms contact Schottky-barrièrediode Sperherstelltijd (reverse recovery time) Tunneldiode (Esaki-diode) Uitputtingslaag (depletion layer)