Wat is een PN-junctiediode?

Wat is een PN-junctiediode?

PN-junctiediode

Een PN-junctiediode is een basiscomponent in de elektronica. In dit type diode is één kant van een halfgeleider gedopeerd met acceptorimpuretten (P-type) en de andere kant met donorimpuretten (N-type). Deze diode kan worden geclassificeerd als een 'stapsgewijs gegradueerde' of 'lineair gegradueerde' junctie.

Bij een stapsgewijs gegradueerde PN-junctiediode is de dopantconcentratie uniform aan beide zijden tot aan de junctie. Bij een lineair gegradueerde junctie verandert de dopantconcentratie bijna lineair met de afstand van de junctie. Zonder toegepaste spanning bewegen vrije elektronen naar de P-kant en gaten naar de N-kant, waar ze samengaan.

De acceptoratomen in de buurt van de junctie aan de P-kant worden negatieve ionen, en de donoratomen in de buurt van de junctie aan de N-kant worden positieve ionen. Dit creëert een elektrisch veld dat de verdere diffusie van elektronen en gaten tegenwerkt. Deze regio met onbedekte ionen wordt de uitputtingsregio genoemd.

Als we een voorwaartse biasspanning toepassen op de p-n-junctiediode. Dat betekent dat als de positieve kant van de batterij is verbonden met de P-kant, dan neemt de breedte van de uitputtingsregio af en stromen draaglichamen (gaten en vrije elektronen) over de junctie. Als we een achterwaartse biasspanning toepassen op de diode, neemt de breedte van de uitputtingsregio toe en kan er geen lading over de junctie stromen.

Kenmerken van de P-N-junctiediode

Laten we een pn-junctie overwegen met een donorconcentratie ND en een acceptorconcentratie NA. Laten we ook aannemen dat alle donoratomen vrije elektronen hebben gedoneerd en positieve donorionen zijn geworden, en alle acceptoratomen elektronen hebben geaccepteerd en overeenkomstige gaten hebben gecreëerd en negatieve acceptorionen zijn geworden. Dus kunnen we zeggen dat de concentratie van vrije elektronen (n) en donorionen ND hetzelfde zijn en evenzo de concentratie van gaten (p) en acceptorionen (NA) hetzelfde zijn. Hier hebben we de gaten en vrije elektronen die door onbedoelde impuretten en defecten in de halfgeleiders zijn ontstaan, genegeerd.

Over de pn-junctie diffunderen de vrije elektronen die door donoratomen aan de n-zijde zijn gedoneerd naar de p-zijde en recombineren met gaten. Op dezelfde manier diffunderen de gaten die door acceptoratomen aan de p-zijde zijn gecreëerd naar de n-zijde en recombineren met vrije elektronen. Na dit recombinatieproces is er een gebrek aan of uitputting van draaglichamen (vrije elektronen en gaten) over de junctie. De regio over de junctie waar de vrije draaglichamen worden uitgeput, wordt de uitputtingsregio genoemd.

Door het ontbreken van vrije draaglichamen (vrije elektronen en gaten) worden de donorionen aan de n-zijde en de acceptorionen aan de p-zijde over de junctie onbedekt. Deze positieve onbedekte donorionen aan de n-zijde naast de junctie en negatieve onbedekte acceptorionen aan de p-zijde naast de junctie veroorzaken een ruimteladen over de pn-junctie. Het potentiaal dat over de junctie ontstaat door deze ruimteladen wordt de diffusiespanning genoemd. De diffusiespanning over een pn-junctiediode kan worden uitgedrukt als. De diffusiespanning creëert een potentieelbarrière voor verdere migratie van vrije elektronen van de n-zijde naar de p-zijde en gaten van de p-zijde naar de n-zijde. Dat wil zeggen dat de diffusiespanning voorkomt dat draaglichamen de junctie oversteken.

 Deze regio is zeer weerbaar vanwege de uitputting van vrije draaglichamen in deze regio. De breedte van de uitputtingsregio hangt af van de toegepaste biasspanning. Het verband tussen de breedte van de uitputtingsregio en de biasspanning kan worden weergegeven door een vergelijking genaamd de Poisson-vergelijking. Hierbij is ε de permittiviteit van de halfgeleider en V de biasingspanning. Dus, bij toepassing van een voorwaartse biasspanning neemt de breedte van de uitputtingsregio, d.w.z. de pn-junctiebarrière, af en verdwijnt uiteindelijk.

Dus, in afwezigheid van een potentieelbarrière over de junctie in de voorwaartse biasconditie gaan vrije elektronen de p-regio binnen en gaten de n-regio, waar ze recombineren en een foton vrijgeven bij elke recombinatie. Als gevolg hiervan zal er een voorwaartse stroom door de diode stromen. De stroom door de PN-junctie wordt uitgedrukt als. Hierbij wordt een spanning V toegepast over de pn-junctie en stroomt de totale stroom I door de pn-junctie.

I s is de omgekeerde verzadigingsstroom, e = ladingsgrootheid van het elektron, k is de Boltzmann-constante en T is de temperatuur in Kelvin.

Het diagram hieronder toont de stroom-spanningskenmerken van een PN-junctiediode. Wanneer V positief is, is de junctie voorwaarts gebiasd, en wanneer V negatief is, is de junctie achterwaarts gebiasd. Wanneer V negatief is en kleiner dan VTH, is de stroom minimaal. Maar wanneer V VTH overschrijdt, wordt de stroom plotseling heel hoog. De spanning VTH wordt de drempelspanning of inschakelspanning genoemd. Voor een siliciumdiode is VTH = 0,6 V. Bij een achterwaartse spanning die overeenkomt met het punt P, is er een abrupte toename van de achterwaartse stroom. Dit deel van de kenmerken wordt de breakdownregio genoemd.

Stapsgewijs Gegradueerde Junctie

Bij een stapsgewijs gegradueerde junctie is de dopantconcentratie uniform tot aan de junctie aan beide zijden.

Uitputtingsregio

De uitputtingsregio vormt zich aan de junctie waar vrije elektronen en gaten recombineren, waardoor een gebied zonder vrije draaglichamen ontstaat.

Voorwaartse Bias

Toepassing van een voorwaartse bias vermindert de breedte van de uitputtingsregio, waardoor stroom kan stromen.

Achterwaartse Bias

Toepassing van een achterwaartse bias verhoogt de breedte van de uitputtingsregio, waardoor stroomstroom wordt geblokkeerd tot de breakdownspanning wordt bereikt.