Какво е диод с PN-переход?

Какво е PN-джунционен диод?

PN-джункционен диод

PN-джункционният диод е основен компонент в електрониката. В този вид диод, едната страна на полупроводника е дотирана с акцепторни примеси (P-тип) и другата страна с доносящи примеси (N-тип). Този диод може да бъде класифициран като "стъпково градиран" или "линейно градиран" джунктион.

В стъпково градиран PN-джункционен диод, концентрацията на допанта е равномерна от двете страни до джунктиона. В линейно градиран джункион, концентрацията на допанта почти линейно се променя с разстоянието от джунктиона. Без приложено напрежение, свободните електрони се движат към P-страницата, а дупките - към N-страницата, където се комбинират.

Акцепторните атоми близо до джунктиона в P-страницата стават отрицателни иони, а доносящите атоми близо до джунктиона в N-страницата стават положителни иони. Това създава електрическо поле, което противодейства на по-нататъшната дифузия на електрони и дупки. Тази област с непокрити иони се нарича обедняваща зона.

Ако приложим напредващо напрежение към p-n-джункционния диод. Това означава, че ако положителната страна на батерията е свързана с p-страницата, тогава ширината на обедняващата зона намалява и носители (дупки и свободни електрони) се движеят през джунктиона. Ако приложим обратно напрежение към диода, ширината на обедняващата зона се увеличава и не може да протече заряд през джунктиона.

Характеристики на P-N-джункционния диод

Нека разгледаме pn-джункион с концентрация на доносящи атоми ND и концентрация на акцепторни атоми NA. Нека допуснем, че всички доносящи атоми са дали свободни електрони и станали положителни доносящи иони, а всички акцепторни атоми са приели електрони и създали съответстващи дупки, ставайки отрицателни акцепторни иони. Така можем да кажем, че концентрацията на свободни електрони (n) и доносящи иони ND са еднакви, и също така, концентрацията на дупки (p) и акцепторни иони (NA) са еднакви. Тук игнорираме дупките и свободните електрони, създадени в полупроводниците поради непреднамерени примеси и дефекти.

През pn-джункиона, свободните електрони, донесени от доносящите атоми в n-тип страната, се дифузират към p-тип страната и се рекомбинират с дупките. Подобно, дупките, създадени от акцепторните атоми в p-тип страната, се дифузират към n-тип страната и се рекомбинират със свободните електрони. След този процес на рекомбинация, има недостиг или обедняване на носители на заряд (свободни електрони и дупки) през джунктиона. Областта през джунктиона, където свободните носители на заряд се обедняват, се нарича обедняваща зона.

Поради липсата на свободни носители на заряд (свободни електрони и дупки), доносящите иони на n-тип страната и акцепторните иони на p-тип страната през джунктиона остават непокрити. Тези положителни непокрити доносящи иони към n-тип страната и отрицателните непокрити акцепторни иони към p-тип страната предизвикват пространствен заряд през pn-джункиона. Потенциалът, развил се през джунктиона поради този пространствен заряд, се нарича дифузионно напрежение. Дифузионното напрежение през pn-джункционния диод може да бъде изразено като: Дифузионният потенциал създава потенциален барьер за по-нататъшната миграция на свободни електрони от n-тип страната към p-тип страната и дупки от p-тип страната към n-тип страната. Това означава, че дифузионният потенциал предотвратява носителите на заряд да прекосят джунктиона.

 Тази област е високо резистивна поради обедняването на свободните носители на заряд в тази област. Ширината на обедняващата зона зависи от приложеното напрежение. Връзката между ширината на обедняващата зона и напрежението може да бъде представена с уравнение, наречено уравнение на Поасон. Тук, ε е диелектричната проницаемост на полупроводника, а V е напрежението. Следователно, при приложение на напредващо напрежение, ширината на обедняващата зона, т.е. барьерът на pn-джункиона, намалява и в крайна сметка изчезва.

Следователно, в отсъствие на потенциален барьер през джунктиона при напредващо напрежение, свободните електрони влизат в p-тип областта, а дупките влизат в n-тип областта, където се рекомбинират и излъчват фотон при всяка рекомбинация. В резултат, ще има напредващ ток, протичащ през диода. Токът през PN-джункиона се изразява като: Тук, напрежението V е приложено през pn-джункиона и общият ток I, протича през pn-джункиона.

I s е обратен насищен ток, e = заряд на електрона, k е постоянна на Болцман и T е температура в Келвин.

Графиката по-долу показва характеристика на тока-напрежението на PN-джункционния диод. Когато V е положително, джункионът е напредващо поляризован, а когато V е отрицателно, джункионът е обратно поляризован. Когато V е отрицателно и по-малко от VTH, токът е минимален. Но когато V надхвърли VTH, токът внезапно става много висок. Напрежението VTH се нарича прагово или начално напрежение. За диод от кремик VTH = 0.6 V. При обратно напрежение, съответстващо точка P, има внезапно увеличение на обратния ток. Тази част от характеристиката се нарича зона на пробой.

Стъпково градиран джункион

В стъпково градиран джункион, концентрацията на допанта е равномерна до джунктиона от двете страни.

Обедняваща зона

Обедняващата зона се формира в джунктиона, където свободните електрони и дупките се рекомбинират, създавайки област без свободни носители на заряд.

Напредващо напрежение

Приложение на напредващо напрежение намалява ширината на обедняващата зона, позволявайки тока да протече.

Обратно напрежение

Приложение на обратно напрежение увеличава ширината на обедняващата зона, блокирайки протичането на ток, докато не бъде достигнато пробойното напрежение.