Hva er en PN-spenningsdiod?

Encyclopedia

Felt: Encyklopedi

China

Hva er en PN-junktion-diod?

PN-junktion-diod

En PN-junktion-diod er et grunnleggende komponent i elektronikk. I denne typen diod er én side av en halvleder dopet med akseptorforurenninger (P-type) og den andre siden med donorforurenninger (N-type). Denne dioden kan klassifiseres som enten en 'trinnvis gradert' eller 'lineært gradert' junktion.

I en trinnvis gradert PN-junktion-diod er dopantkonsentrasjonen jevn på begge sider opp til junktionen. I en lineært gradert junktion endrer dopantkonsentrasjonen seg nesten lineært med avstanden fra junktionen. Uten at noen spennings er påført, beveger frie elektroner seg til P-siden og hull beveger seg til N-siden, der de kombinerer.

Akseptoratomer nær junktionen på P-siden blir negative ioner, og donoratomer nær junktionen på N-siden blir positive ioner. Dette skaper et elektrisk felt som motvirker videre diffusjon av elektroner og hull. Dette området med ubeklædte ioner kalles uttømmelsesområdet.

Hvis vi påfører forhåndsbelasted spenning til p-n junktion-dioden. Det vil si hvis den positive siden av batteriet er koblet til P-siden, så minker bredden på uttømmelsesområdet, og bærere (hull og frie elektroner) flyter over junktionen. Hvis vi påfører en bakoverbelasted spenning til dioden, øker uttømmelsesbredden, og ingen ladning kan flyte over junktionen.

Egenskaper ved P-N junktion-diod

La oss betrakte en pn-junktion med donorkonsentrasjon ND og akseptorkonsentrasjon NA. La oss også anta at alle donorene har donert frie elektroner og blitt positive donorioner, og at alle akseptorer har akseptert elektroner og opprettet tilsvarende hull og blitt negative akseptorioner. Så kan vi si at konsentrasjonen av frie elektroner (n) og donorioner ND er den samme, og tilsvarende er konsentrasjonen av hull (p) og akseptorioner (NA) den samme. Her har vi ignort hull og frie elektroner som er opprettet i halvlederne på grunn av uintensjonelle forurenninger og defekter.

Over pn-junktionen diffuser frie elektroner donert av donorene på n-typenside til p-typenside og kombinerer med hull. På samme måte diffuser hull opprettet av akseptorer på p-typenside til n-typenside og kombinerer med frie elektroner. Etter denne rekombinasjonsprosessen er det en mangel på eller uttømmelse av ladningsbærere (frie elektroner og hull) over junktionen. Området over junktionen hvor frie ladningsbærere blir uttømt, kalles uttømmelsesområdet.

På grunn av fraværet av frie ladningsbærere (frie elektroner og hull) blir donorene på n-typenside og akseptorer på p-typenside over junktionen ubeklædte. Disse positive ubeklædte donorene mot n-typenside ved siden av junktionen og negative ubeklædte akseptorer mot p-typenside ved siden av junktionen fører til et romladningsoverflade over pn-junktionen. Potensialet som utvikles over junktionen på grunn av denne romladningen kalles diffusjonsspenningen. Diffusjonspotensialet over en pn-junktion-diod kan uttrykkes som. Diffusjonspotensialet skaper en potensiell barriere for ytterligere migrasjon av frie elektroner fra n-typenside til p-typenside og hull fra p-typenside til n-typenside. Det betyr at diffusjonspotensialet hindrer ladningsbærere i å krysse junktionen.

Dette området er høyresistivt på grunn av uttømmelsen av frie ladningsbærere i dette området. Bredden på uttømmelsesområdet avhenger av den påførte bias-spenningen. Forholdet mellom bredden på uttømmelsesområdet og bias-spenningen kan representeres ved en ligning kalt Poisson-ligningen. Her er ε permittiviteten til halvlederen, og V er bias-spenningen. Så, ved anvendelse av en forhåndsbelasted spenning minsker bredden på uttømmelsesområdet, altså pn-junktionbarrieren, og forsvinner til slutt.

Derfor, i fraværet av potensiell barriere over junktionen i forhåndsbelasted tilstand går frie elektroner inn i p-typerregionen, og hull går inn i n-typerregionen, der de rekombinerer og slipper ut et foton ved hver rekombinasjon. Som et resultat vil det være en forhåndsstrøm gjennom dioden. Strømmen gjennom PN-junktionen uttrykkes som. Her er spenningen V påført over pn-junktionen, og total strøm I, flyter gjennom pn-junktionen.

I s er revers saturasjonsstrøm, e = elektronladdning, k er Boltzmann-konstanten, og T er temperatur i Kelvin-skala.

Grafen nedenfor viser strøm-spenningsegenskapene til en PN-junktion-diod. Når V er positiv, er junktionen forhåndsbelasted, og når V er negativ, er junktionen bakoverbelasted. Når V er negativ og mindre enn VTH, er strømmen minimal. Men når V overstiger VTH, blir strømmen plutselig veldig høy. Spenningen VTH kalles terskel- eller inngangsspenningen. For silisiumdiod er VTH = 0,6 V. Ved en reversspenning som tilsvarer punktet P, er det en bråkstøtt økning i reversstrøm. Dette delen av egenskapene kalles nedbrytningsområdet.