Hvad er en PN-junction diode?

Encyclopedia

Felt: Encyclopædi

China

Hvad er en PN-junktion diode?

PN-junktion diode

En PN-junktion diode er et grundlæggende komponent i elektronik. I denne type diode er den ene side af en halvleder doped med acceptorforurenere (P-type) og den anden side med donorforurenere (N-type). Denne diode kan klassificeres som enten en 'trinvis graderet' eller 'lineært graderet' junktion.

I en trinvis graderet PN-junktion diode er dopantkoncentrationen ens på begge sider op til junktionen. I en lineært graderet junktion ændrer dopantkoncentrationen sig næsten lineært med afstanden fra junktionen. Uden noget spænding anvendt, bevæger frie elektroner sig til P-siden og huller til N-siden, hvor de kombineres.

De acceptoratomer tæt på junktionen på P-siden bliver negative ioner, og donoratomerne tæt på junktionen på N-siden bliver positive ioner. Dette skaber et elektrisk felt, der modvirker yderligere diffusion af elektroner og huller. Dette område med ubeklædte ioner kaldes forudryddelsesregionen.

Hvis vi anvender en fremadret spænding på p-n junktion dioden. Det betyder, hvis den positive side af batteriet er forbundet til P-siden, så minker bredden af forudryddelsesregionen, og bærere (huller og frie elektroner) flyder over junktionen. Hvis vi anvender en bagudret spænding på dioden, øges forudryddelsesbredden, og ingen ladning kan flyde over junktionen.

Karakteristika for P-N-junktion diode

Lad os overveje en pn-junktion med en donor koncentration ND og en acceptor koncentration NA. Lad os også antage, at alle donor atomer har doneret frie elektroner og blevet positive donor ioner, og at alle acceptor atomer har accepteret elektroner og skabt tilsvarende huller og blevet negative acceptor ioner. Så kan vi sige, at koncentrationen af frie elektroner (n) og donor ioner ND er den samme, og ligeså er koncentrationen af huller (p) og acceptor ioner (NA) den samme. Her har vi ignoreret hullerne og frie elektroner, der er skabt i halvlederen på grund af uoplysede forurenere og defekter.

Over pn-junktionen diffunderer de frie elektroner, der er doneret af donor atomer på n-type siden, til p-type siden og kombinerer med huller. Ligeså diffunderer hullerne, der er skabt af acceptor atomer på p-type siden, til n-type siden og kombinerer med frie elektroner. Efter denne rekombinationsproces er der en mangel på eller forudryddelse af ladningsbærere (frie elektroner og huller) over junktionen. Regionen over junktionen, hvor de frie ladningsbærere forudryddes, kaldes forudryddelsesregionen.

På grund af manglen på frie ladningsbærere (frie elektroner og huller) bliver donorionerne på n-type siden og acceptorionerne på p-type siden over junktionen ubeklædte. Disse positive ubeklædte donorioner mod n-type siden ved junktionen og negative ubeklædte acceptorioner mod p-type siden ved junktionen forårsager en rumladning over pn-junktionen. Potentialet, der dannes over junktionen på grund af denne rumladning, kaldes diffusionsvoltagen. Diffusionspotentialet over en pn-junktion diode kan udtrykkes som det, der skaber en potentielbarriere for yderligere migration af frie elektroner fra n-type siden til p-type siden og huller fra p-type siden til n-type siden. Det betyder, at diffusionspotentialet forhindrer ladningsbærere i at krydse junktionen.

Dette område er højt resistivt på grund af forudryddelsen af frie ladningsbærere i dette område. Bredden af forudryddelsesregionen afhænger af den anvendte bias spænding. Forholdet mellem bredden af forudryddelsesregionen og bias spændingen kan repræsenteres ved en ligning kaldet Poissons ligning. Her er ε permittiviteten af halvlederen, og V er bias spændingen. Så, ved anvendelse af en fremadret bias spænding minker bredden af forudryddelsesregionen, altså pn-junktion barrieren, og forsvinder endeligt.

Derfor, i fraværet af potentielbarrieren over junktionen i fremadret bias tilstand indgår frie elektroner i p-type regionen, og huller indgår i n-type regionen, hvor de rekombinerer og frigør en foton ved hver rekombination. Som resultat vil der være en fremadret strøm, der løber gennem dioden. Strømmen gennem PN-junktionen udtrykkes som her, hvor spændingen V anvendes over pn-junktionen, og totalstrømmen I løber gennem pn-junktionen.

Is er revers saturationsstrøm, e = elektronens ladning, k er Boltzmann-konstanten, og T er temperaturen i Kelvin-skalaen.

Grafen nedenfor viser strøm-spændings karakteristikken for en PN-junktion diode. Når V er positiv, er junktionen fremadret bias, og når V er negativ, er junktionen bagudret bias. Når V er negativ og mindre end VTH, er strømmen minimal. Men når V overstiger VTH, bliver strømmen pludselig meget høj. Spændingen VTH kaldes threshold- eller cut-in spændingen. For silicium dioder VTH = 0,6 V. Ved en revers spænding, der svarer til punktet P, er der en abrupt stigning i reversstrømmen. Dette område af karakteristikken kaldes breakdown-regionen.