Kas ir PN savienojuma diode?

Kas ir PN savienojuma dioda?

PN savienojuma dioda

PN savienojuma dioda ir pamatelementa elektronikā. Šajā veidā diodā viena pusē poluprovadnika ir dozēta ar akceptors impuritātēm (P-tipa) un otra pusē ar dāvētāju impuritātēm (N-tipa). Šo diodu var klasificēt kā 'stapa gradētu' vai 'lineāri gradētu' savienojumu.

Stapa gradētā PN savienojuma diodā dozējuma koncentrācija ir vienmērīga abās pusēs līdz savienojumam. Lineāri gradētā savienojumā dozējuma koncentrācija mainās gandrīz lineāri attālumā no savienojuma. Bez jebkāda uzlikta sprieguma brīvie elektroni pārvietojas uz P-pusi, bet tukšumi pārvietojas uz N-pusi, kur tie savienojas.

Akceptors atomi tuvu savienojumam P-pusē kļūst par negatīviem joniem, un dāvētāji atomi tuvu savienojumam N-pusē kļūst par pozitīviem joniem. Tas rada elektromagnētisko lauku, kas pretojas vēlākiem elektronu un tukšumu difuzijas procesiem. Šis reģions ar atklātiem joniem sauc par iznīcināšanas reģionu.

Ja mēs pievienojam priekšējo sliekstošanu PN savienojuma diodei, tas nozīmē, ka akumulatora pozitīvā puse ir savienota ar P-pusi, tad iznīcināšanas reģiona platums samazinās un nosūtnieki (tukšumi un brīvie elektroni) plūst caur savienojumu. Ja mēs pievienojam apgrieztu sliekstošanu diodei, iznīcināšanas platums palielinās, un nevar plūst nekāda lāde caur savienojumu.

PN savienojuma diodes īpašības

Apcerosim PN savienojumu ar dāvētāju koncentrāciju ND un akceptors koncentrāciju NA. Pieņemsim, ka visi dāvētāju atomi ir devuši brīvos elektronus un kļuvuši par pozitīviem dāvētāju joniem, un visi akceptors atomi ir pieņēmuši elektronus un radījuši atbilstošus tukšumus, kļuvuši par negatīviem akceptors joniem. Tātad, mēs varam teikt, ka brīvo elektronu (n) un dāvētāju jonu ND koncentrācija ir vienāda, un tāpat tukšumu (p) un akceptors jonu (NA) koncentrācija ir vienāda. Šeit mēs esam ignorējuši tukšumus un brīvos elektronus, kas radušies poluprovadnikos nedarītas impuritātes un defekti dēļ.

Caursavienojuma laukā brīvie elektroni, ko dāvēju atomi N-tipa pusē ir devuši, difuze uz P-tipa pusi un savienojas ar tukšumiem. Līdzīgi, tukšumi, ko akceptors atomi P-tipa pusē ir radījuši, difuze uz N-tipa pusi un savienojas ar brīvajiem elektroniem. Pēc šīs rekombinācijas process notiek trūkums vai iznīcināšana lādes nosūtnieku (brīvie elektroni un tukšumi) caursavienojuma laukā. Reģions, kurā brīvie lādes nosūtnieki tiek iznīcināti, sauc par iznīcināšanas reģionu.

Daudzuma trūkuma (brīvie elektroni un tukšumi) dēļ N-tipa puses dāvētāju jonu un P-tipa puses akceptors jonu iznīcināšanas reģions kļūst par atklātu lādi. Šie pozitīvie atklātie dāvētāju jonu N-tipa puses pusē blakus savienojumam un negatīvie atklātie akceptors jonu P-tipa puses pusē blakus savienojumam rada telpisku lādi caursavienojuma laukā. Potenciāls, kas rodas caursavienojuma laukā, sauc par difūzijas spriegumu. Difūzijas spriegumu PN savienojuma diodā var izteikt ar formulu. Difūzijas potenciāls veido barjeru, kas ierobežo brīvo elektronu migrāciju no N-tipa puses uz P-tipa pusi un tukšumu no P-tipa puses uz N-tipa pusi. Tas nozīmē, ka difūzijas potenciāls novērš lādes nosūtnieku pārsavienojuma caursavienojuma laukā.

 Šis reģions ir augsti pretestīgs, jo tajā nav brīvo lādes nosūtnieku. Iznīcināšanas reģiona platums atkarīgs no uzlikta sliekstošanas sprieguma. Iznīcināšanas reģiona platuma un sliekstošanas sprieguma attiecība var tikt izsakta ar Poissona vienādojumu. Šeit ε ir poluprovadnika permitivitāte, un V ir sliekstošanas spriegums. Tātad, uzliekot priekšējo sliekstošanu, iznīcināšanas reģiona platums, t.i., PN savienojuma barjera, samazinās un galu galā izmirsns.

Tādējādi, priekšējā sliekstošanas stāvoklī, kad barjera caursavienojuma laukā neeksistē, brīvie elektroni ieplūst P-tipa reģionā, un tukšumi ieplūst N-tipa reģionā, kur tie rekombinē un izdala fotonus katrā rekombinācijā. Tā rezultātā caur diodu plūs priekšējais strāva. Strāva caur PN savienojumu izsaka ar formulā. Šeit spriegums V tiek uzliktās PN savienojuma diodai, un kopējā strāva I plūst caur PN savienojumu.

Is ir apgrieztā satura strāva, e = elektrona lāde, k ir Boltzmāna konstante, un T ir temperatūra Kelvina skalā.

Zemāk redzamais grafiks parāda strāvas-sprieguma karakteristikas PN savienojuma diodai. Kad V ir pozitīvs, savienojums ir priekšēji sliekstots, un kad V ir negatīvs, savienojums ir apgrieztā sliekstošanā. Kad V ir negatīvs un mazāks par VTH, strāva ir minimāla. Bet kad V pārsniedz VTH, strāva ātri kļūst ļoti liela. Spriegums VTH sauc par sliekstošanas vai ieplūdes spriegumu. Silīcija diodai VTH = 0,6 V. Apgrieztā sprieguma punktā P notiek ātra apgrieztā strāvas pieaugums. Šis raksturīgais daļa pazīstama kā bojāšanās reģions.

Stapa gradēts savienojums

Stapa gradētā savienojumā dozējuma koncentrācija ir vienmērīga līdz savienojumam abās pusēs.

Iznīcināšanas reģions

Iznīcināšanas reģions formas savienojuma vietā, kur brīvie elektroni un tukšumi rekombinē, radot reģionu bez brīvo lādes nosūtnieku.

Priekšēja sliekstošana

Priekšēja sliekstošanas piemērošana samazina iznīcināšanas reģiona platumu, ļaujot strāvai plūst.

Apgrieztā sliekstošana

Apgrieztā sliekstošanas piemērošana palielina iznīcināšanas reģiona platumu, bloķējot strāvas plūsmu, līdz sasniedz bojāšanas spriegumu.