Co to jest dioda PN?

Co to jest dioda półprzewodnikowa PN?

Dioda półprzewodnikowa PN

Dioda półprzewodnikowa PN to podstawowy element elektroniczny. W tej diodzie jedna strona półprzewodnika jest domieszkowana przyjmującymi domieszkami (typ P) a druga dającymi domieszkami (typ N). Tę diodę można sklasyfikować jako "stopniowo zgrubioną" lub "liniowo zgrubioną".

W diodzie półprzewodnikowej PN o stopniowo zgrubionym stawie domieszkowanie jest jednorodne po obu stronach aż do stawu. W liniowo zgrubionym stawie stężenie domieszek zmienia się prawie liniowo w zależności od odległości od stawu. Bez zastosowania napięcia, swobodne elektrony przemieszczają się na stronę P, a dziury na stronę N, gdzie łączą się.

Atomy akceptorów bliskie stawowi na stronie P stają się jonami ujemnymi, a atomy dawców bliskie stawowi na stronie N stają się jonami dodatnimi. To tworzy pole elektryczne, które przeciwdziała dalszej dyfuzji elektronów i dziur. Ta obszar z odsłoniętymi jonami nazywany jest obszarem wyżarzenia.

Jeśli zastosujemy napięcie przódowe do diody półprzewodnikowej PN, to znaczy, jeśli dodatnia strona baterii jest połączona ze stroną P, to szerokość obszaru wyżarzenia maleje, a nośniki ładunku (dziury i swobodne elektrony) przepływają przez staw. Jeśli zastosujemy napięcie tyłowe do diody, szerokość obszaru wyżarzenia zwiększa się, a żaden ładunek nie może przepływać przez staw.

Charakterystyka diody półprzewodnikowej PN

Rozważmy staw PN z koncentracją dawców ND i koncentracją akceptorów NA. Przyjmijmy również, że wszystkie atomy dawców oddali swobodne elektrony i stały się dodatnimi jonami dawcami, a wszystkie atomy akceptorów przyjęły elektrony i utworzyły odpowiednie dziury, stając się ujemnymi jonami akceptorów. Możemy więc powiedzieć, że koncentracja swobodnych elektronów (n) i jonów dawców ND jest taka sama, a podobnie, koncentracja dziur (p) i jonów akceptorów (NA) jest taka sama. Tutaj zignorowaliśmy dziury i swobodne elektrony utworzone w półprzewodnikach w wyniku niezamierzonej domieszki i defektów.

Przez staw PN, swobodne elektrony oddane przez atomy dawców na stronie typu N dyfundują na stronę typu P i rekombinują z dziurami. Podobnie, dziury utworzone przez atomy akceptorów na stronie typu P dyfundują na stronę typu N i rekombinują ze swobodnymi elektronami. Po tym procesie rekombinacji, występuje brak lub wyżarzenie nośników ładunku (swobodnych elektronów i dziur) wzdłuż stawu. Obszar wzdłuż stawu, gdzie nośnicy ładunku są wyżarzeni, nazywany jest obszarem wyżarzenia.

Ze względu na brak swobodnych nośników ładunku (swobodnych elektronów i dziur), jony dawców na stronie typu N i jony akceptorów na stronie typu P wzdłuż stawu zostają odsłonięte. Te dodatnie odsłonięte jony dawców na stronie typu N oraz ujemne odsłonięte jony akceptorów na stronie typu P wzdłuż stawu powodują ładunek przestrzenny wzdłuż stawu PN. Potencjał rozwinięty wzdłuż stawu w wyniku tego ładunku przestrzennego nazywany jest potencjałem dyfuzyjnym. Potencjał dyfuzyjny wzdłuż diody półprzewodnikowej PN może być wyrażony jako Potencjał dyfuzyjny tworzy barierę potencjałową dla dalszej migracji swobodnych elektronów ze strony typu N do strony typu P i dziur ze strony typu P do strony typu N. To oznacza, że potencjał dyfuzyjny zapobiega przemieszczaniu się nośników ładunku przez staw.

 Ten obszar jest bardzo oporny ze względu na wyżarzenie swobodnych nośników ładunku w tym obszarze. Szerokość obszaru wyżarzenia zależy od zastosowanego napięcia polaryzacyjnego. Związek między szerokością obszaru wyżarzenia a napięciem polaryzacyjnym można przedstawić równaniem zwane Równaniem Poissona. Tutaj, ε to przenikalność dielektryczna półprzewodnika, a V to napięcie polaryzacyjne. Tak więc, przy zastosowaniu napięcia przódowego szerokość obszaru wyżarzenia, czyli bariery stawu PN, maleje i ostatecznie zanika.

Stąd, w braku bariery potencjałowej wzdłuż stawu w warunkach napięcia przódowego, swobodne elektrony wchodzą do regionu typu P, a dziury wchodzą do regionu typu N, gdzie rekombinują i wydzielają foton przy każdej rekombinacji. W rezultacie, będzie płynął prąd przódowy przez diodę. Prąd przez staw PN jest wyrażony jako Tutaj, napięcie V jest zastosowane wzdłuż stawu PN, a całkowity prąd I przepływa przez staw PN.

I s to odwrotny prąd nasycenia, e = ładunek elektronu, k to stała Boltzmanna, a T to temperatura w skali Kelvina.

Poniższy wykres pokazuje charakterystykę prąd-napięcie diody półprzewodnikowej PN. Gdy V jest dodatnie, staw jest przódowany, a gdy V jest ujemne, staw jest tyłowany. Gdy V jest ujemne i mniejsze niż VTH, prąd jest minimalny. Ale gdy V przekracza VTH, prąd nagle staje się bardzo wysoki. Napięcie VTH nazywane jest napięciem progowym lub napięciem włączenia. Dla diody krzemowej VTH = 0,6 V. Przy odwrotnym napięciu odpowiadającym punktowi P, następuje nagły wzrost prądu odwrotnego. Ta część charakterystyki nazywana jest obszarem przełamania.

Stopniowo zgrubiony staw

W stopniowo zgrubionym stawie, stężenie domieszek jest jednorodne aż do stawu po obu stronach.

Obszar wyżarzenia

Obszar wyżarzenia powstaje w stawie, gdzie swobodne elektrony i dziury rekombinują, tworząc obszar bez swobodnych nośników ładunku.

Napięcie przódowe

Zastosowanie napięcia przódowego zmniejsza szerokość obszaru wyżarzenia, pozwalając na przepływ prądu.

Napięcie tyłowe

Zastosowanie napięcia tyłowego zwiększa szerokość obszaru wyżarzenia, blokując przepływ prądu, aż do osiągnięcia napięcia przełamania.