Τι είναι ένα διάτροφο με PN σύνδεση;

Τι είναι ένα διόδιο PN;

Διόδιο PN

Το διόδιο PN είναι ένα βασικό στοιχείο στην ηλεκτρονική. Σε αυτό το είδος διοδίου, μια πλευρά ενός ημιαγωγού δοποδοτείται με αποδέκτες ρύπων (P-τύπου) και η άλλη πλευρά με δωρητές ρύπων (N-τύπου). Αυτό το διόδιο μπορεί να ταξινομηθεί ως 'βηματοδρομημένη' ή 'γραμμικά διαφοροποιημένη' σύνδεση.

Σε ένα βηματοδρομημένο διόδιο PN, η συγκέντρωση των δοπαντών είναι ομοιόμορφη σε και τις δύο πλευρές μέχρι τη σύνδεση. Σε μια γραμμικά διαφοροποιημένη σύνδεση, η συγκέντρωση δοπαντών αλλάζει σχεδόν γραμμικά με την απόσταση από τη σύνδεση. Χωρίς την εφαρμογή τάσης, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μετακινούνται προς την P-πλευρά και τα άδεια μετακινούνται προς την N-πλευρά, όπου συνδυάζονται.

Τα αποδέκτες άτομα κοντά στη σύνδεση στην P-πλευρά γίνονται αρνητικά ιόντα, και τα δωρητήρια άτομα κοντά στη σύνδεση στην N-πλευρά γίνονται θετικά ιόντα. Αυτό δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο που αντιτίθεται στην περαιτέρω διάχυση των ηλεκτρονίων και των άδειων. Αυτή η περιοχή με αναδεικμένα ιόντα ονομάζεται περιοχή εξάντλησης.

Εάν εφαρμόσουμε θετική προκάμψη στο διόδιο PN. Δηλαδή, εάν το θετικό μέρος της μπαταρίας συνδέεται με την P-πλευρά, τότε η πλάτος της περιοχής εξάντλησης μειώνεται και οι φορείς (άδεια και ελεύθερα ηλεκτρόνια) ρέουν μέσω της σύνδεσης. Εάν εφαρμόσουμε αντίστροφη προκάμψη στο διόδιο, η πλάτος της περιοχής εξάντλησης αυξάνεται και καμία φορτίδα δεν μπορεί να ρέει μέσω της σύνδεσης.

Χαρακτηριστικά Διοδίου PN

Ας θεωρήσουμε ένα διόδιο PN με συγκέντρωση δωρητών ND και συγκέντρωση αποδέκτων NA. Ας υποθέσουμε επίσης ότι όλα τα δωρητήρια άτομα έχουν δωρίσει ελεύθερα ηλεκτρόνια και έχουν γίνει θετικά δωρητήρια ιόντα και όλα τα αποδέκτηρια άτομα έχουν αποδεχθεί ηλεκτρόνια και έχουν δημιουργήσει αντίστοιχα άδεια και έχουν γίνει αρνητικά αποδέκτηρια ιόντα. Οπότε μπορούμε να πούμε ότι η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων (n) και των δωρητήριων ιόντων ND είναι η ίδια και ομοίως, η συγκέντρωση των άδειων (p) και των αποδέκτηριων ιόντων (NA) είναι η ίδια. Εδώ, έχουμε αγνοήσει τα άδεια και τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που δημιουργήθηκαν στους ημιαγωγούς λόγω ανεπιθύμητων ρύπων και μολυσμάτων.

Στη σύνδεση PN, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που δωρίστηκαν από τα δωρητήρια άτομα στην N-πλευρά διαχυτούνται προς την P-πλευρά και συνδυάζονται με τα άδεια. Ομοίως, τα άδεια που δημιουργήθηκαν από τα αποδέκτηρια άτομα στην P-πλευρά διαχυτούνται προς την N-πλευρά και συνδυάζονται με τα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Μετά από αυτή τη διαδικασία συνδυασμού, υπάρχει έλλειψη ή εξάντληση των φορέων φορτίου (ελεύθερων ηλεκτρονίων και άδειων) στη σύνδεση. Η περιοχή στη σύνδεση όπου οι ελεύθεροι φορείς φορτίου εξαντλούνται ονομάζεται περιοχή εξάντλησης.

Λόγω της έλλειψης ελεύθερων φορέων φορτίου (ελεύθερων ηλεκτρονίων και άδειων), τα δωρητήρια ιόντα της N-πλευράς και τα αποδέκτηρια ιόντα της P-πλευράς στη σύνδεση γίνονται αναδεικμένα. Αυτά τα θετικά αναδεικμένα δωρητήρια ιόντα προς την N-πλευρά κοντά στη σύνδεση και τα αρνητικά αναδεικμένα αποδέκτηρια ιόντα προς την P-πλευρά κοντά στη σύνδεση προκαλούν χώρο φορτίου στη σύνδεση PN. Η δυναμικότητα που αναπτύσσεται στη σύνδεση λόγω αυτού του χώρου φορτίου ονομάζεται δυναμικότητα διάχυσης. Το δυναμικότητα διάχυσης σε ένα διόδιο PN μπορεί να εκφραστεί ως Το δυναμικότητα διάχυσης δημιουργεί μια δυναμική προσκόμματος για την περαιτέρω μετακίνηση ελεύθερων ηλεκτρονίων από την N-πλευρά στην P-πλευρά και άδειων από την P-πλευρά στην N-πλευρά. Δηλαδή, το δυναμικότητα διάχυσης εμποδίζει τους φορείς φορτίου να διασχίσουν τη σύνδεση.

 Αυτή η περιοχή είναι υψηλά αντιστατική λόγω της εξάντλησης των ελεύθερων φορέων φορτίου σε αυτή τη περιοχή. Η πλάτος της περιοχής εξάντλησης εξαρτάται από την εφαρμοσμένη προκάμψη. Η σχέση μεταξύ της πλάτους της περιοχής εξάντλησης και της προκάμψης μπορεί να εκφραστεί με μια εξίσωση που ονομάζεται Εξίσωση Poisson. Εδώ, ε είναι η επιτροπιότητα του ημιαγωγού και V είναι η προκάμψη. Οπότε, με την εφαρμογή μιας θετικής προκάμψης, η πλάτος της περιοχής εξάντλησης, δηλαδή το εμπόδιο της σύνδεσης PN, μειώνεται και τελικά εξαφανίζεται.

Ως εκ τούτου, σε απουσία δυναμικού προσκόμματος στη σύνδεση σε συνθήκες θετικής προκάμψης, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια εισέρχονται στην P-πλευρά και τα άδεια εισέρχονται στην N-πλευρά, όπου συνδυάζονται και αποδίδουν ένα φωτόνιο σε κάθε συνδυασμό. Ως αποτέλεσμα, θα υπάρχει ένα θετικό ρεύμα που ρέει μέσω του διοδίου. Το ρεύμα μέσω της σύνδεσης PN εκφράζεται ως Εδώ, η τάση V εφαρμόζεται στη σύνδεση PN και το συνολικό ρεύμα I, ρέει μέσω της σύνδεσης PN.

I s είναι το αντίστροφο ρεύμα κυρότητας, e = φορτίο του ηλεκτρονίου, k είναι η σταθερά Boltzmann και T είναι η θερμοκρασία στην κλίμακα Kelvin.

Ο γράφος παρακάτω δείχνει τη χαρακτηριστική τάση-ρεύμα ενός διοδίου PN. Όταν, V είναι θετική, η σύνδεση είναι θετικά προκαμπτόμενη, και όταν V είναι αρνητική, η σύνδεση είναι αντίστροφα προκαμπτόμενη. Όταν V είναι αρνητική και μικρότερη από VTH, το ρεύμα είναι ελάχιστο. Αλλά όταν V υπερβαίνει το VTH, το ρεύμα ξαφνικά γίνεται πολύ μεγάλο. Η τάση VTH είναι γνωστή ως η θετική ή κατάκοπη τάση. Για διόδιο Silicon, VTH = 0.6 V. Σε αντίστροφη τάση αντίστοιχη στο σημείο P, υπάρχει ξαφνική αύξηση του αντίστροφου ρεύματος. Αυτή η επιμέρους χαρακτηριστική είναι γνωστή ως περιοχή καταρρέυσης.

Βηματοδρομημένη Σύνδεση

Σε μια βηματοδρομημένη σύνδεση, η συγκέντρωση των δοπαντών είναι ομοιόμορφη μέχρι τη σύνδεση σε και τις δύο πλευρές.

Περιοχή Εξάντλησης

Η περιοχή εξάντλησης δημιουργείται στη σύνδεση όπου τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και τα άδεια συνδυάζονται, δημιουργώντας μια περιοχή χωρίς ελεύθερους φορείς φορτίου.

Θετική Προκάμψη

Η εφαρμογή θετικής προκάμψης μειώνει την πλάτος της περιοχής εξάντλησης, επιτρέποντας το ρεύμα να ρέει.

Αντίστροφη Προκάμψη

Η εφαρμογή αντίστροφης προκάμψης αυξάνει την πλάτος της περιοχής εξάντλησης, εμποδίζοντας το ρεύμα να ρέει μέχρι να φθάσει η τάση καταρρέυσης.