Què és un díode de jonction PN?

Què és un díode de junta PN?

Díode de Junta PN

Un díode de junta PN és un component bàsic en l'electrònica. En aquest tipus de díode, una banda del semiconducteur s'impregna amb impuretes acceptores (tipus P) i l'altra banda amb impuretes donadores (tipus N). Aquest díode es pot classificar com una junta 'graduada en esglaons' o 'graduada linealment'.

En un díode de junta PN graduada en esglaons, la concentració de dopants és uniforme en ambdós costats fins a la junta. En una junta graduada linealment, la concentració de dopants canvia gairebé linealment amb la distància des de la junta. Sense aplicar cap tensió, els electrons lliures es mouen cap al costat P i les buides es mouen cap al costat N, on es combinen.

Els àtoms acceptors propers a la junta al costat P es converteixen en ions negatius, i els àtoms donadors propers a la junta al costat N es converteixen en ions positius. Això crea un camp elèctric que oposa la difusió addicional d'electrons i buides. Aquesta regió amb ions descoberts s'anomena regió de depleció.

Si apliquem una tensió de polarització directa al díode de junta PN. Això vol dir que si el costat positiu de la bateria està connectat al costat P, llavors l'amplada de la regió de depleció disminueix i els portadors (buides i electrons lliures) flueixen a través de la junta. Si apliquem una tensió de polarització inversa al díode, l'amplada de la regió de depleció augmenta i no pot fluir cap càrrega a través de la junta.

Característiques del Díode de Junta PN

Considerem una junta PN amb una concentració de donadors ND i una concentració d'acceptors NA. Assumim també que tots els àtoms donadors han donat electrons lliures i es van convertir en ions donadors positius i que tots els àtoms acceptors han acceptat electrons i han creat corresponents buides i es van convertir en ions acceptors negatius. Per tant, podem dir que la concentració d'electrons lliures (n) i d'ions donadors ND són iguals i, de manera similar, la concentració de buides (p) i d'ions acceptors (NA) són iguals. Aquí, hem ignorat les buides i els electrons lliures creads en els semiconductors degut a impuretes i defectes involuntaris.

A través de la junta PN, els electrons lliures donats pels àtoms donadors al costat de tipus n difonen al costat de tipus p i es recombinen amb les buides. De manera similar, les buides creades pels àtoms acceptors al costat de tipus p difonen al costat de tipus n i es recombinen amb els electrons lliures. Després d'aquest procés de recombinació, hi ha una falta o depleció de portadors de càrrega (electrons lliures i buides) a través de la junta. La regió a través de la junta on els portadors de càrrega lliures es depleten s'anomena regió de depleció.

Degut a l'absència de portadors de càrrega lliures (electrons lliures i buides), els ions donadors del costat de tipus n i els ions acceptors del costat de tipus p a través de la junta queden descoberts. Aquests ions donadors descoberts positius cap al costat de tipus n adjacent a la junta i els ions acceptors descoberts negatius cap al costat de tipus p adjacent a la junta causen una càrrega espacial a través de la junta PN. El potencial desenvolupat a través de la junta degut a aquesta càrrega espacial s'anomena tensió de difusió. La tensió de difusió a través d'un díode de junta PN es pot expressar com La tensió de difusió crea una barrera de potencial per a la migració addicional d'electrons lliures del costat de tipus n al costat de tipus p i de buides del costat de tipus p al costat de tipus n. Això vol dir que la tensió de difusió evita que els portadors de càrrega creuen la junta.

 Aquesta regió és altament resistiva degut a la depleció de portadors de càrrega lliures en aquesta regió. L'amplada de la regió de depleció depèn de la tensió de polarització aplicada. La relació entre l'amplada de la regió de depleció i la tensió de polarització es pot representar mitjançant una equació anomenada Equació de Poisson. Aquí, ε és la permittivitat del semiconducteur i V és la tensió de polarització. Per tant, en l'aplicació d'una tensió de polarització directa, l'amplada de la regió de depleció, és a dir, la barreira de la junta PN, disminueix i finalment desapareix.

Per tant, en l'absència de la barrera de potencial a través de la junta en condicions de polarització directa, els electrons lliures entren a la regió de tipus p i les buides entren a la regió de tipus n, on es recombina i es libera un fotó a cada recombinació. Com a resultat, hi haurà una corrent directa que fluirà a través del díode. La corrent a través de la junta PN es expressa com Aquí, la tensió V s'aplica a través de la junta PN i la corrent total I, flueix a través de la junta PN.

I s és la corrent de saturació inversa, e = càrrega de l'electron, k és la constant de Boltzmann i T és la temperatura en escala Kelvin.

El gràfic següent mostra la característica corrent-tensió d'un díode de junta PN. Quan V és positiu, la junta està polaritzada directament, i quan V és negatiu, la junta està polaritzada inversament. Quan V és negatiu i menor que VTH, la corrent és mínima. Però quan V supera VTH, la corrent esdevé de sobte molt alta. La tensió VTH es coneix com a tensió de llindar o de tall. Per un díode de silici, VTH = 0,6 V. A una tensió inversa corresponent al punt P, hi ha un increment brusc de la corrent inversa. Aquesta porció de les característiques s'anomena regió de trencament.

Junta Graduada en Esglaons

En una junta graduada en esglaons, la concentració de dopants és uniforme fins a la junta en ambdós costats.

Regió de Depleció

La regió de depleció es forma a la junta on els electrons lliures i les buides es recombina, creant una àrea sense portadors de càrrega lliures.

Polarització Directa

Aplicar una polarització directa disminueix l'amplada de la regió de depleció, permetent que la corrent flueixi.

Polarització Inversa

Aplicar una polarització inversa augmenta l'amplada de la regió de depleció, bloquejant el flux de corrent fins que es assola la tensió de trencament.