Что такое диод с PN-переходом

Что такое диод с p-n переходом?

Диод с p-n переходом

Диод с p-n переходом является основным компонентом в электронике. В этом типе диода одна сторона полупроводника легируется акцепторными примесями (p-тип) и донорными примесями (n-тип). Этот диод можно классифицировать как 'ступенчатый' или 'линейно-градиентный' переход.

В ступенчатом диоде с p-n переходом концентрация легирующих примесей равномерна на обеих сторонах до перехода. В линейно-градиентном переходе концентрация легирования изменяется почти линейно с расстоянием от перехода. Без применения напряжения свободные электроны перемещаются к p-стороне, а дырки — к n-стороне, где они рекомбинируют.

Акцепторные атомы, расположенные близко к переходу на p-стороне, становятся отрицательными ионами, а донорные атомы, расположенные близко к переходу на n-стороне, становятся положительными ионами. Это создает электрическое поле, которое препятствует дальнейшей диффузии электронов и дырок. Этот регион с незакрытыми ионами называется областью обеднения.

Если мы применяем прямое смещение к диоду с p-n переходом, то есть если положительная сторона батареи подключена к p-стороне, тогда ширина области обеднения уменьшается, и носители заряда (дырки и свободные электроны) текут через переход. Если мы применяем обратное смещение к диоду, ширина области обеднения увеличивается, и заряд не может течь через переход.

Характеристики диода с p-n переходом

Рассмотрим p-n переход с концентрацией доноров ND и концентрацией акцепторов NA. Предположим, что все донорные атомы дали свободные электроны и стали положительными донорными ионами, а все акцепторные атомы приняли электроны, создав соответствующие дырки и стали отрицательными акцепторными ионами. Таким образом, концентрация свободных электронов (n) и донорных ионов ND одинакова, и аналогично, концентрация дырок (p) и акцепторных ионов (NA) также одинакова. Здесь мы игнорируем дырки и свободные электроны, созданные в полупроводнике из-за непреднамеренных примесей и дефектов.

По обе стороны p-n перехода свободные электроны, донированные донорными атомами на n-стороне, диффундируют к p-стороне и рекомбинируют с дырками. Аналогично, дырки, созданные акцепторными атомами на p-стороне, диффундируют к n-стороне и рекомбинируют со свободными электронами. После этого процесса рекомбинации наблюдается недостаток или обеднение носителей заряда (свободных электронов и дырок) по всей ширине перехода. Регион, где происходит обеднение свободных носителей заряда, называется областью обеднения.

Из-за отсутствия свободных носителей заряда (свободных электронов и дырок) донорные ионы на n-стороне и акцепторные ионы на p-стороне остаются незакрытыми. Эти положительные незакрытые донорные ионы на n-стороне и отрицательные незакрытые акцепторные ионы на p-стороне создают пространственный заряд на p-n переходе. Потенциал, возникающий на переходе из-за этого пространственного заряда, называется диффузионным потенциалом. Диффузионный потенциал на p-n переходе можно выразить следующим образом: Диффузионный потенциал создает потенциальный барьер для дальнейшей миграции свободных электронов с n-стороны к p-стороне и дырок с p-стороны к n-стороне. То есть, диффузионный потенциал предотвращает пересечение носителями заряда перехода.

 Этот регион имеет высокое сопротивление из-за обеднения свободных носителей заряда. Ширина области обеднения зависит от приложенного смещения. Связь между шириной области обеднения и смещением можно представить уравнением, называемым уравнением Пуассона. Здесь ε — это диэлектрическая проницаемость полупроводника, а V — это смещение. Таким образом, при приложении прямого смещения ширина области обеднения, то есть барьера p-n перехода, уменьшается и, в конечном итоге, исчезает.

Таким образом, в отсутствие потенциального барьера на переходе при прямом смещении свободные электроны входят в p-область, а дырки входят в n-область, где они рекомбинируют и при каждой рекомбинации испускают фотон. В результате через диод течет прямой ток. Ток через p-n переход выражается следующим образом: Здесь, напряжение V приложено к p-n переходу, и общий ток I течет через p-n переход.

Is — это обратный насыщенный ток, e = заряд электрона, k — постоянная Больцмана, T — температура в кельвинах.

График ниже показывает характеристику тока-напряжения диода с p-n переходом. Когда V положительно, переход находится под прямым смещением, а когда V отрицательно, переход находится под обратным смещением. Когда V отрицательно и меньше VTH, ток минимальный. Но когда V превышает VTH, ток внезапно становится очень большим. Напряжение VTH известно как пороговое или начальное напряжение. Для кремниевого диода VTH = 0,6 В. При обратном напряжении, соответствующем точке P, наблюдается резкий скачок обратного тока. Эта часть характеристик называется областью пробоя.

Ступенчатый переход

В ступенчатом переходе концентрация легирующих примесей равномерна до перехода на обеих сторонах.

Область обеднения

Область обеднения формируется на переходе, где свободные электроны и дырки рекомбинируют, создавая зону без свободных носителей заряда.

Прямое смещение

Применение прямого смещения уменьшает ширину области обеднения, позволяя току течь.

Обратное смещение

Применение обратного смещения увеличивает ширину области обеднения, блокируя течение тока до достижения напряжения пробоя.