Was ist eine PN-Schockdioden?

Was ist eine PN-Schicht-Diode?

PN-Schicht-Diode

Eine PN-Schicht-Diode ist ein grundlegendes Bauteil in der Elektronik. Bei dieser Art von Diode wird eine Seite des Halbleiters mit Akzeptorimpuretien (P-Typ) und die andere Seite mit Donatorimpuretien (N-Typ) dotiert. Diese Diode kann als 'stufenförmig' oder 'linear graduiert' klassifiziert werden.

Bei einer stufenförmigen PN-Schicht-Diode ist die Dotierungskonzentration auf beiden Seiten bis zur Schicht gleichmäßig. Bei einer linear graduierten Schicht ändert sich die Dotierungskonzentration fast linear mit dem Abstand zur Schicht. Ohne angewandte Spannung bewegen sich freie Elektronen zur P-Seite und Löcher zur N-Seite, wo sie kombiniert werden.

Die Akzeptoratome in der Nähe der Schicht auf der P-Seite werden zu negativen Ionen, und die Donatoratome in der Nähe der Schicht auf der N-Seite werden zu positiven Ionen. Dies erzeugt ein elektrisches Feld, das die weitere Diffusion von Elektronen und Löchern entgegenwirkt. Diese Region mit ungedeckten Ionen wird als Depletionsregion bezeichnet.

Wenn wir eine Vorwärtsvorspannung an die p-n-Schicht-Diode anlegen, bedeutet dies, dass die positive Seite der Batterie an die P-Seite angeschlossen wird. Dann verringert sich die Breite der Depletionsregion, und Träger (Löcher und freie Elektronen) fließen über die Schicht. Wenn wir eine Rückwärtsvorspannung an die Diode anlegen, erhöht sich die Breite der Depletionsregion, und kein Ladungsträger kann über die Schicht fließen.

Eigenschaften der P-N-Schicht-Diode

Betrachten wir eine pn-Schicht mit einer Donator-Konzentration ND und einer Akzeptor-Konzentration NA. Nehmen wir auch an, dass alle Donatoratome freie Elektronen gespendet und zu positiven Donatorionen geworden sind, und alle Akzeptoratome Elektronen akzeptiert haben, entsprechende Löcher erzeugt und zu negativen Akzeptorionen geworden sind. Wir können also sagen, dass die Konzentration der freien Elektronen (n) und der Donatorionen ND gleich ist und ebenso die Konzentration der Löcher (p) und der Akzeptorionen (NA). Hierbei haben wir die durch unbeabsichtigte Impuretien und Defekte im Halbleiter erzeugten Löcher und freien Elektronen ignoriert.

Über die pn-Schicht hinweg diffundieren die von den Donatoratomen auf der n-seitigen Seite gespendeten freien Elektronen zur p-seitigen Seite und rekombinieren mit Löchern. Ähnlich diffundieren die von den Akzeptoratomen auf der p-seitigen Seite erzeugten Löcher zur n-seitigen Seite und rekombinieren mit freien Elektronen. Nach diesem Rekombinationsprozess gibt es einen Mangel an oder eine Entleerung von Ladungsträgern (freie Elektronen und Löcher) über die Schicht. Die Region über die Schicht, in der die freien Ladungsträger entleert werden, wird als Depletionsregion bezeichnet.

Aufgrund des Mangels an freien Ladungsträgern (freie Elektronen und Löcher) werden die Donatorionen auf der n-seitigen Seite und die Akzeptorionen auf der p-seitigen Seite über die Schicht ungedeckt. Diese positiven ungedeckten Donatorionen auf der n-seitigen Seite nahe der Schicht und negative ungedeckte Akzeptorionen auf der p-seitigen Seite nahe der Schicht verursachen eine Raumladung über die pn-Schicht. Die an der Schicht entwickelte Spannung aufgrund dieser Raumladung wird als Diffusionsvoltage bezeichnet. Die Diffusionsvoltage über eine pn-Schicht-Diode kann ausgedrückt werden. Die Diffusionsvoltage erzeugt eine Potentialsperre für die weitere Wanderung von freien Elektronen von der n-seitigen Seite zur p-seitigen Seite und von Löchern von der p-seitigen Seite zur n-seitigen Seite. Das bedeutet, die Diffusionsvoltage verhindert, dass Ladungsträger die Schicht überqueren.

 Diese Region ist hochwiderständig aufgrund der Entleerung der freien Ladungsträger in dieser Region. Die Breite der Depletionsregion hängt von der angelegten Vorspannung ab. Der Zusammenhang zwischen der Breite der Depletionsregion und der Vorspannung kann durch eine Gleichung, die Poisson-Gleichung, dargestellt werden. Hierbei ist ε die Permittivität des Halbleiters und V die Vorspannung. Bei Anwendung einer Vorwärtsvorspannung verringert sich die Breite der Depletionsregion, also die pn-Schicht-Sperre, und verschwindet schließlich.

Daher, ohne Potentialsperre über die Schicht in der Vorwärtsvorspannung, dringen freie Elektronen in die p-seitige Region ein und Löcher in die n-seitige Region, wo sie rekombinieren und bei jeder Rekombination ein Photon freisetzen. Als Ergebnis fließt ein Vorwärtsspannungsdurchgang durch die Diode. Der Durchgang durch die PN-Schicht wird ausgedrückt als Hierbei wird die Spannung V über die pn-Schicht angelegt und der Gesamtdurchgang I fließt durch die pn-Schicht.

I s ist die Rückwärts-Sättigungsstromstärke, e = Elektronenladung, k ist die Boltzmann-Konstante und T ist die Temperatur in Kelvin.

Das folgende Diagramm zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie einer PN-Schicht-Diode. Wenn V positiv ist, ist die Schicht vorwärts polarisiert, und wenn V negativ ist, ist die Schicht rückwärts polarisiert. Wenn V negativ und kleiner als VTH ist, ist der Strom minimal. Wenn jedoch V VTH überschreitet, wird der Strom plötzlich sehr hoch. Die Spannung VTH wird als Schwell- oder Einschaltspannung bezeichnet. Für Siliziumdioden beträgt VTH 0,6 V. Bei einer Rückwärts-Spannung, die dem Punkt P entspricht, gibt es eine abrupte Zunahme des Rückwärtsstroms. Dieser Teil der Kennlinie wird als Zerstörungsgebiet bezeichnet.

Stufenförmige Schicht

Bei einer stufenförmigen Schicht ist die Dotierungskonzentration auf beiden Seiten bis zur Schicht gleichmäßig.

Depletionsregion

Die Depletionsregion bildet sich an der Stelle, wo freie Elektronen und Löcher rekombinieren und eine Zone ohne freie Ladungsträger entsteht.

Vorwärtsvorspannung

Die Anwendung einer Vorwärtsvorspannung verringert die Breite der Depletionsregion und ermöglicht den Stromfluss.

Rückwärtsvorspannung

Die Anwendung einer Rückwärtsvorspannung erhöht die Breite der Depletionsregion und blockiert den Stromfluss, bis die Zerstörungsspannung erreicht wird.