Mi az a PN csomópont dióda?

Mi az PN csomópont diód?

PN csomópont diód

A PN csomópont diód az elektrotechnika alapvető komponense. Ez a diód olyan, ahol egy fémes vezető egyik oldala elfogadó vegyületekkel (P-típus) míg a másik oldala adó vegyületekkel (N-típus) van megdopált. A diód lehet "lépcsős gradált" vagy "lineárisen gradált" csomópont.

Egy lépcsős gradált PN csomópont diód esetén a dopálás koncentrációja egyenletes mindkét oldalon a csomópontig. Egy lineárisen gradált csomópontnál a dopálás koncentrációja majdnem lineárisan változik a távolsággal a csomóponttól. Bármi feszültség nélkül a szabad elektronok áthaladnak a P-oldalra, a lyukak pedig a N-oldalra, ahol kombinálnak.

A P-oldali elfogadó atomok negatív ionokká válnak, míg a N-oldali adó atomok pozitív ionokká. Ez egy elektromos mezőt hoz létre, amely ellenségesít a további elektron- és lyuk-diffúziót. Ez a régiót, ahol nincsenek fedett ionok, kiürítési régiónak nevezik.

Ha előrefelé irányuló feszültséget alkalmazunk a p-n csomópont diódján. Azaz ha a batteri posztív oldala a p-oldalhoz van csatlakoztatva, akkor a kiürítési régió szélessége csökken, és a tranzisztorok (lyukak és szabad elektronok) áramlanak a csomóponton keresztül. Ha hátrafelé irányuló feszültséget alkalmazunk a diódján, a kiürítési régió szélessége növekszik, és nem tud áram áramlani a csomóponton keresztül.

PN csomópont diód jellemzői

Vegyünk egy pn csomópontot, ahol a donor koncentráció ND, és az elfogadó koncentráció NA. Tegyük fel, hogy minden donor atom szabad elektronokat adott, és pozitív donor ionokká vált, míg minden elfogadó atom elektronokat fogadott, és lyukakat hozott létre, így negatív elfogadó ionokká vált. Tehát azt mondhatjuk, hogy a szabad elektronok (n) koncentrációja és a donor ionok (ND) koncentrációja megegyezik, és hasonlóképpen a lyukak (p) koncentrációja és az elfogadó ionok (NA) koncentrációja is megegyezik. Itt figyelmen kívül hagytuk a szemiconductorban lévő szándékolt vegyületekből és hibákból eredő lyukakat és szabad elektronokat.

A pn csomóponton keresztül a donor atomok által adott szabad elektronok a n-típus oldalról diffúziószerűen áthajlannak a p-típus oldalra, és ott kombinálnak a lyukakkal. Hasonlóképpen, a p-típus oldalon az elfogadó atomok által hozott lyukak a n-típus oldalra diffúziószerűen áthajlannak, és ott kombinálnak a szabad elektronokkal. Ennek a kombinációs folyamatnak következtében hiányzik a töltéshordozók (szabad elektronok és lyukak) a csomóponton keresztül. A csomóponton keresztül a régiót, ahol a szabad töltéshordozók hiányoznak, kiürítési régiónak nevezik.

A szabad töltéshordozók (szabad elektronok és lyukak) hiányának következtében a n-típus oldal donor ionjai és a p-típus oldal elfogadó ionjai a csomóponton keresztül nyiltak. Ezek a pozitív nyilt donor ionok a n-típus oldal felé, a csomópont mellett, és a negatív nyilt elfogadó ionok a p-típus oldal felé, a csomópont mellett térbeli töltést hoznak létre a pn csomóponton. A csomóponton kialakuló potenciál, ami ebből a térbeli töltésből ered, diffúziós feszültségnek nevezik. A pn csomópont diód diffúziós feszültsége a következő képlettel fejezhető ki: A diffúziós potenciál akadályt teremt a további szabad elektronok áthajlása ellen a n-típus oldalról a p-típus oldalra, valamint a lyukak áthajlása ellen a p-típus oldalról a n-típus oldalra. Tehát a diffúziós potenciál megakadályozza, hogy a töltéshordozók áthaladják a csomópontot.

 Ez a régió nagyon ellenálló, mert itt hiányoznak a szabad töltéshordozók. A kiürítési régió szélessége függ az alkalmazott feszültségtől. A kiürítési régió szélessége és a feszültség közötti kapcsolatot a Poisson-egyenlet adja meg. Itt ε a szemiconductor dielektrikus állandója, V pedig a polarizáló feszültség. Így, előrefelé irányuló feszültség alkalmazásakor a kiürítési régió, azaz a pn csomópont akadály szélessége csökken, és végül eltűnik.

Tehát, a csomóponton keresztül nincs potenciális akadály előrefelé irányuló feszültség esetén, a szabad elektronok belépnek a p-típus régióba, a lyukak pedig a n-típus régióba, ahol kombinálnak, és minden kombinációnál fotonot bocsátanak ki. Ennek eredményeként előrefelé irányuló áram fog áramlani a diódon keresztül. A PN csomóponton áramló áram a következő képlettel fejezhető ki: Itt V feszültség van alkalmazva a pn csomóponton, és I teljes áram áramlik a pn csomóponton keresztül.

I s a fordított zavaró áram, e = elektron töltése, k a Boltzmann-állandó, T pedig a hőmérséklet Kelvin-skálán.

Az alábbi grafikon a PN csomópont diód áram-feszültség jellemzőit mutatja. Amikor V pozitív, a csomópont előrefelé van polarizálva, és amikor V negatív, a csomópont hátrafelé van polarizálva. Amikor V negatív és kisebb, mint VTH, az áram minimális. De amikor V meghaladja a VTH-t, az áram hirtelen nagyon magas lesz. A VTH feszültséget küszöbfeszültségnek vagy bekapcsolási feszültségnek nevezik. Szilícium diód esetén VTH = 0,6 V. A P ponttal megfelelő fordított feszültségnél hirtelen növekszik a fordított áram. Ez a jellemző rész a törésponti régió.

Lépcsős gradált csomópont

Egy lépcsős gradált csomópontnál a dopálás koncentrációja egyenletes a csomópontig mindkét oldalon.

Kiürítési régió

A kiürítési régió a csomóponton kialakul, ahol a szabad elektronok és lyukak kombinálnak, és egy olyan terület jön létre, ahol nincsenek szabad töltéshordozók.

Előrefelé irányuló polarizáció

Az előrefelé irányuló polarizáció alkalmazása csökkenti a kiürítési régió szélességét, és lehetővé teszi az áram áramlását.

Hátrafelé irányuló polarizáció

A hátrafelé irányuló polarizáció alkalmazása növeli a kiürítési régió szélességét, és blokkolja az áram áramlását, amíg el nem éri a törésponti feszültséget.