Šta je dioda PN spoja?

Šta je dioda PN prelaza?

Dioda PN prelaza

Dioda PN prelaza je osnovni komponent u elektronici. U ovom tipu diode, jedna strana poluprovodnika je dopirana akceptor impuritetima (P-tip) i druga strana donator impuritetima (N-tip). Ova dioda može biti klasifikovana kao 'step graded' ili 'linearly graded' prelaz.

U diodi PN prelaza sa step gradiranjem, koncentracija dopanta je uniformna na obe strane do prelaza. U linearno gradiranom prelazu, koncentracija dopanta se skoro linearno menja sa rastojanjem od prelaza. Bez primene napona, slobodni elektroni se kreću ka P-strani, a rupe se kreću ka N-strani, gde se kombinuju.

Akceptor atomi blizu prelaza na P-strani postaju negativni joni, a donator atomi blizu prelaza na N-strani postaju pozitivni joni. To stvara električno polje koje sprječava dalju difuziju elektrona i rupa. Ova regija sa nekoveriranim jonima se zove regija iscrpljenja.

Ako primenimo naprednu polarizaciju na diodu PN prelaza, to znači da je pozitivna strana baterije spojena sa P-stranom, tada širina regije iscrpljenja smanjuje se i nosioci naboja (rupe i slobodni elektroni) teku kroz prelaz. Ako primenimo obrnutu polarizaciju na diodu, širina regije iscrpljenja se povećava i nijedan naboj ne može proći kroz prelaz.

Karakteristike diode PN prelaza

Razmotrimo PN prelaz sa koncentracijom donatora ND i koncentracijom akceptora NA. Pretpostavimo da su svi donator atomski dali slobodne elektrone i postali pozitivni donator joni, a svi akceptor atomski prihvatili elektrone i stvorili odgovarajuće rupe i postali negativni akceptor joni. Dakle, možemo reći da je koncentracija slobodnih elektrona (n) i donator jona ND ista, a slicno, koncentracija rupa (p) i akceptor jona (NA) su iste. Ovdje smo zanemarili rupe i slobodne elektrone stvorene u poluprovodnicima zbog neintenzitetnih impuriteta i defekata.

Preko PN prelaza, slobodni elektroni dati od donatora atoma na N-strani difuziraju ka P-strani i rekombiniraju sa rupama. Slično tome, rupe stvorene od akceptor atoma na P-strani difuziraju ka N-strani i rekombiniraju sa slobodnim elektronima. Nakon ovog procesa rekombinacije, postoji nedostatak ili iscrpljenje nosioca naboja (slobodnih elektrona i rupa) preko prelaza. Regija preko prelaza gde se slobodni nosioci naboja iscrpljuju naziva se regija iscrpljenja.

Zbog odsustva slobodnih nosioca naboja (slobodnih elektrona i rupa), donator joni na N-strani i akceptor joni na P-strani preko prelaza ostaju nekoverirani. Ovi pozitivni nekoverirani donator joni prema N-strani uz prelaz i negativni nekoverirani akceptor joni prema P-strani uz prelaz stvaraju prostornu nabojnost preko PN prelaza. Potencijal razvijen preko prelaza zbog ove prostorne nabojnosti se zove difuzni napon. Difuzni napon preko diode PN prelaza može se izraziti kao. Difuzni potencijal stvara prepreku za dalju migraciju slobodnih elektrona sa N-strane na P-stranu i rupa sa P-strane na N-stranu. To znači da difuzni napon sprečava nosioca naboja da pređu prelaz.

 Ova regija je visoko otporna zbog iscrpljenja slobodnih nosioca naboja u ovoj regiji. Širina regije iscrpljenja zavisi od primenjenog napajanja. Veza između širine regije iscrpljenja i napajanja može se predstaviti jednačinom poznatom kao Poissonova jednačina. Ovdje, ε je permitivnost poluprovodnika, a V je napajanje. Tako, na primenu naprednog napajanja, širina regije iscrpljenja, tj. prepreka PN prelaza, smanjuje se i konačno nestaje.

Stoga, u odsutnosti prepreke preko prelaza u uslovima napredne polarizacije, slobodni elektroni ulaze u P-regiju, a rupe ulaze u N-regiju, gde se rekombiniraju i emituju foton na svakoj rekombinaciji. Kao rezultat, kroz diodu će teći napredni tok. Tok kroz PN prelaz izražava se kao. Ovdje, napajanje V je primenjeno preko PN prelaza, a ukupan tok I, teče kroz PN prelaz.

Is je obrnuti nasitni tok, e = naboj elektrona, k je Boltzmannova konstanta, a T je temperatura u Kelvinovoj skali.

Grafik ispod pokazuje karakteristiku toka-napona PN prelaza. Kada je V pozitivna, prelaz je napredno polarizovan, a kada je V negativna, prelaz je obrnuto polarizovan. Kada je V negativna i manja od VTH, tok je minimalan. Ali kada V premaši VTH, tok se iznenada povećava. Napajanje VTH se naziva prag ili cut-in napajanje. Za silicijumske diode, VTH = 0.6 V. Na obrnutom napajanju koja odgovara tački P, postoji iznenadno povećanje obrnutog toka. Ova porcija karakteristika se naziva regija raspada.

Step Graded Junction

U step gradiranom prelazu, koncentracija dopanta je uniformna do prelaza na obe strane.

Regija iscrpljenja

Regija iscrpljenja se formira na prelazu gde slobodni elektroni i rupe rekombiniraju, stvarajući područje bez slobodnih nosioca naboja.

Napredna polarizacija

Primena napredne polarizacije smanjuje širinu regije iscrpljenja, omogućavajući tok.

Obrnuta polarizacija

Primena obrnute polarizacije povećava širinu regije iscrpljenja, blokirajući tok dok se ne dostigne napajanje raspada.