Što je dioda s PN spojem?

Što je dioda PN spoja?

Dioda PN spoja

Dioda PN spoja je osnovni komponent u elektronici. U ovom tipu diode, jedna strana poluprovodnika je dopirana prihvatnicima (P-tip) a druga strana davalnicima (N-tip). Ova dioda može biti klasificirana kao 'step graded' ili 'linearly graded' spoj.

U diodi PN spoja s postepenim profilom, koncentracija dopanta je uniformna na obje strane do spoja. U linearno gradijentnom spoju, koncentracija dopiranja mijenja se gotovo linearno s udaljenošću od spoja. Bez primijenjenog napona, slobodni elektroni pomicu se prema P-strani, a rupe prema N-strani, gdje se kombiniraju.

Prihvatni atomi blizu spoja na P-strani postaju negativni ionci, a davalni atomi blizu spoja na N-strani postaju pozitivni ionci. To stvara električno polje koje suprotstavlja daljoj difuziji elektrona i rupa. Ova regija sa nekrijenim ioncima zove se regija iscrpljenja.

Ako primijenimo napon priklonjenog napajanja na diodu PN spoja, to znači da ako pozitivna strana baterije bude spojena s P-stranom, tada širina regije iscrpljenja smanji se i nosioci naboja (rupe i slobodni elektroni) protječu preko spoja. Ako primijenimo napon obrnutog napajanja na diodu, širina regije iscrpljenja poveća se i nitko nabitelj ne može protjeci preko spoja.

Karakteristike diode PN spoja

Razmotrimo PN spoj s koncentracijom davalaca ND i koncentracijom prihvatnika NA. Pretpostavimo da su svi davalni atomi donirali slobodne elektrone i postali pozitivni davalni ionci, a svi prihvatni atomi su prihvatili elektrone i stvorili odgovarajuće rupe i postali negativni prihvatni ionci. Tako možemo reći da je koncentracija slobodnih elektrona (n) i davalnih ionaca ND ista, a slično, koncentracija rupa (p) i prihvatnih ionaca (NA) je ista. Ovdje smo zanemarili rupe i slobodne elektrone stvorene u poluprovodnicima zbog neintenzitetnih impuriteta i defekata.

Preko PN spoja, slobodni elektroni donirani od strane davalnih atoma na N-tip strani difundiraju prema P-tip strani i rekombiniraju s rupama. Slično tome, rupe stvorene od strane prihvatnih atoma na P-tip strani difundiraju prema N-tip strani i rekombiniraju s slobodnim elektronima. Nakon ovog procesa rekombinacije, postoji nedostatak ili iscrpljenje nositelja naboja (slobodnih elektrona i rupa) preko spoja. Regija preko spoja gdje se slobodni nositelji naboja iscrpljavaju zove se regija iscrpljenja.

Zbog odsutnosti slobodnih nositelja naboja (slobodnih elektrona i rupa), davalni ionci na N-tip strani i prihvatni ionci na P-tip strani preko spoja ostaju nekrijeni. Ovi pozitivni nekrijeni davalni ionci prema N-tip strani uzdanoj spoju i negativni nekrijeni prihvatni ionci prema P-tip strani uzdanoj spoju stvaraju prostornu nabojnu regiju preko PN spoja. Potencijal razvijen preko spoja zbog ove prostorne nabojne regije zove se difuzijski napon. Difuzijski napon preko PN spoja diode može se izraziti. Difuzijski potencijal stvara potencijalnu prepreku za dalju migraciju slobodnih elektrona s N-tip strane prema P-tip strani i rupa s P-tip strane prema N-tip strani. To znači da difuzijski potencijal sprečava nosioce naboja da pređu preko spoja.

 Ova regija je visokootporni jer je zbog iscrpljenja slobodnih nositelja naboja u toj regiji. Širina regije iscrpljenja ovisi o primijenjenom napajanju naponom. Veza između širine regije iscrpljenja i napajanja naponom može se predstaviti jednadžbom koja se zove Poissonova jednadžba. Ovdje, ε je permitivnost poluprovodnika, a V je napajanje naponom. Dakle, na primjenu napajanja naponom priklonjenog napajanja širina regije iscrpljenja, tj. prepreka PN spoja, smanjuje se i konačno nestaje.

Stoga, u odsutnosti potencijalne prepreke preko spoja u uvjetima priklonjenog napajanja slobodni elektroni ulaze u P-tip regiju, a rupe ulaze u N-tip regiju, gdje se rekombiniraju i emitiraju foton na svaku rekombinaciju. Kao rezultat, protjeci će napredujući struja kroz diodu. Struja kroz PN spoj izražava se kao. Ovdje, napon V primjenjuje se preko PN spoja, a ukupna struja I, protječe kroz PN spoj.

Is je obrnuta nasycena struja, e = naboj elektrona, k je Boltzmannova konstanta, a T je temperatura u Kelvinskoj skali.

Grafikon ispod pokazuje karakteristiku strujene-naponske diode PN spoja. Kada je V pozitivan, spoj je priklonjen, a kada je V negativan, spoj je obrnut. Kada je V negativan i manji od VTH, struja je minimalna. Ali kada V premaši VTH, struja se naglo povećava. Napon VTH poznat je kao prag ili pragački napon. Za Silicijumske diode VTH = 0.6 V. Na obrnutom napajanju odgovarajućem točki P, dolazi do naglog povećanja obrnute struje. Ovaj dio karakteristika poznat je kao regija raspada.

Step Graded Junction

U step graded junctionu, koncentracija dopanta je uniformna do spoja na obje strane.

Regija iscrpljenja

Regija iscrpljenja formira se na spoju gdje slobodni elektroni i rupe rekombiniraju, stvarajući područje bez slobodnih nositelja naboja.

Napajanje priklonjenog napajanja

Primjena napajanja priklonjenog napajanja smanjuje širinu regije iscrpljenja, omogućujući protjecanje struje.

Napajanje obrnutog napajanja

Primjena napajanja obrnutog napajanja povećava širinu regije iscrpljenja, blokirajući protjecanje struje dok se ne dostigne napon raspada.