อะไรคือไดโอด PN จังชัน

ไดโอด์จังหวะ PN คืออะไร?

ไดโอด์จังหวะ PN

ไดโอด์จังหวะ PN เป็นส่วนประกอบพื้นฐานในวงจรไฟฟ้า ในประเภทของไดโอด์นี้ ด้านหนึ่งของสารกึ่งตัวนำถูกทำให้มีความเข้มข้นของสารเจือปนที่ยอมรับอิเล็กตรอน (P-type) และอีกด้านหนึ่งมีสารเจือปนที่บริจาคอิเล็กตรอน (N-type) ไดโอด์นี้สามารถจำแนกเป็น 'step graded' หรือ 'linearly graded' ได้

ในไดโอด์จังหวะ PN แบบ step graded ความเข้มข้นของสารเจือปนจะคงที่ทั้งสองด้านจนถึงจุดเชื่อมต่อ ในจังหวะที่เรียงตามเส้นตรง ความเข้มข้นของการเจือปนจะเปลี่ยนแปลงอย่างเกือบเป็นเส้นตรงตามระยะทางจากจุดเชื่อมต่อ โดยไม่มีแรงดันใด ๆ ประจุอิสระจะเคลื่อนไปยังด้าน P และหลุมจะเคลื่อนไปยังด้าน N ซึ่งจะรวมกัน

อะตอมรับอิเล็กตรอนใกล้จุดเชื่อมต่อในด้าน P จะกลายเป็นไอออนลบ และอะตอมบริจาคอิเล็กตรอนใกล้จุดเชื่อมต่อในด้าน N จะกลายเป็นไอออนบวก ซึ่งสร้างสนามไฟฟ้าที่ขัดขวางการแพร่กระจายของอิเล็กตรอนและหลุม ภูมิภาคที่มีไอออนไม่ได้รับประจุเรียกว่าภูมิภาคที่หมดประจุ

หากเราใช้แรงดันกำลังส่งไปยังไดโอด์จังหวะ PN หมายความว่าถ้าขั้วบวกของแบตเตอรี่เชื่อมต่อกับด้าน P ความกว้างของภูมิภาคที่หมดประจุจะลดลงและพาหะ (หลุมและอิเล็กตรอนอิสระ) จะไหลผ่านจุดเชื่อมต่อ หากเราใช้แรงดันกลับไปยังไดโอด์ ความกว้างของภูมิภาคที่หมดประจุจะเพิ่มขึ้นและประจุไม่สามารถไหลผ่านจุดเชื่อมต่อได้

คุณสมบัติของไดโอด์จังหวะ PN

ลองพิจารณาจังหวะ PN ที่มีความเข้มข้นของสารบริจาค ND และความเข้มข้นของสารรับ NA สมมติว่าสารบริจาคทั้งหมดได้บริจาคอิเล็กตรอนอิสระและกลายเป็นไอออนบริจาคบวก และสารรับทั้งหมดได้รับอิเล็กตรอนและสร้างหลุมและกลายเป็นไอออนรับลบ เราสามารถบอกได้ว่าความเข้มข้นของอิเล็กตรอนอิสระ (n) และไอออนบริจาค ND เหมือนกัน และเช่นเดียวกันความเข้มข้นของหลุม (p) และไอออนรับ (NA) เหมือนกัน ที่นี่เราได้ละเว้นหลุมและอิเล็กตรอนอิสระที่เกิดขึ้นในสารกึ่งตัวนำเนื่องจากสารเจือปนที่ไม่ตั้งใจและข้อบกพร่อง

ที่จังหวะ PN อิเล็กตรอนอิสระที่บริจาคโดยสารบริจาคในด้าน N จะแพร่กระจายไปยังด้าน P และรวมกับหลุม เช่นเดียวกันหลุมที่สร้างโดยสารรับในด้าน P จะแพร่กระจายไปยังด้าน N และรวมกับอิเล็กตรอนอิสระ หลังจากการรวมกันนี้ จะมีการขาดแคลนหรือการหมดประจุของพาหะประจุ (อิเล็กตรอนอิสระและหลุม) ที่จังหวะ ภูมิภาคที่พาหะประจุอิสระหมดเรียกว่าภูมิภาคที่หมดประจุ

เนื่องจากการขาดแคลนของพาหะประจุอิสระ (อิเล็กตรอนอิสระและหลุม) ไอออนบริจาคของด้าน N และไอออนรับของด้าน P ที่จังหวะจะไม่ได้รับประจุ ไอออนบริจาคบวกที่ไม่ได้รับประจุที่ด้าน N ใกล้กับจังหวะและไอออนรับลบที่ไม่ได้รับประจุที่ด้าน P ใกล้กับจังหวะจะสร้างประจุอวกาศที่จังหวะ PN ศักยภาพที่พัฒนาขึ้นที่จังหวะเนื่องจากประจุอวกาศนี้เรียกว่าแรงดันการแพร่กระจาย แรงดันการแพร่กระจายที่จังหวะ PN สามารถแสดงได้ว่า แรงดันการแพร่กระจายสร้างอุปสรรคสำหรับการโยกย้ายของอิเล็กตรอนอิสระจากด้าน N ไปยังด้าน P และหลุมจากด้าน P ไปยังด้าน N หมายความว่าแรงดันการแพร่กระจายป้องกันพาหะประจุจากการข้ามจังหวะ

 ภูมิภาคนี้มีความต้านทานสูงเนื่องจากการหมดประจุของพาหะประจุอิสระในภูมิภาคนี้ ความกว้างของภูมิภาคที่หมดประจุขึ้นอยู่กับแรงดันที่ใช้ ความสัมพันธ์ระหว่างความกว้างของภูมิภาคที่หมดประจุและแรงดันสามารถแสดงได้ด้วยสมการ Poisson ที่นี่ ε คือความชุกของสารกึ่งตัวนำและ V คือแรงดันที่ใช้ ดังนั้น เมื่อใช้แรงดันกำลังส่ง ความกว้างของภูมิภาคที่หมดประจุ หรืออุปสรรคจังหวะ PN จะลดลงและหายไปในที่สุด

ดังนั้น ในกรณีที่ไม่มีอุปสรรคศักยภาพที่จังหวะในเงื่อนไขกำลังส่ง อิเล็กตรอนอิสระจะเข้าสู่ภูมิภาค P และหลุมจะเข้าสู่ภูมิภาค N ที่ซึ่งพวกมันจะรวมกันและปล่อยโฟตอนที่แต่ละการรวมกัน ผลที่ได้คือจะมีกระแสกำลังส่งผ่านไดโอด์ กระแสผ่านจังหวะ PN สามารถแสดงได้ว่า ที่นี่แรงดัน V ถูกใช้ที่จังหวะ PN และกระแส I ทั้งหมดจะไหลผ่านจังหวะ PN

I s คือกระแสอิ่มตัวกลับ e = ประจุของอิเล็กตรอน k คือค่าคงที่โบลท์ซมันน์ และ T คืออุณหภูมิในสเกลเคลวิน

กราฟด้านล่างแสดงคุณสมบัติกระแส-แรงดันของไดโอด์จังหวะ PN เมื่อ V เป็นบวก จังหวะจะกำลังส่ง และเมื่อ V เป็นลบ จังหวะจะกลับ เมื่อ V เป็นลบและน้อยกว่า VTH กระแสจะน้อย แต่เมื่อ V เกิน VTH กระแสจะเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลัน แรงดัน VTH ถูกเรียกว่าแรงดันเกณฑ์หรือแรงดันตัด สำหรับไดโอด์ซิลิคอน VTH = 0.6 V ที่แรงดันกลับที่จุด P จะมีการเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลันของกระแสกลับ ส่วนนี้ของคุณสมบัติเรียกว่าภูมิภาค breakdown

จังหวะ Step Graded

ในจังหวะ step graded ความเข้มข้นของสารเจือปนจะคงที่จนถึงจังหวะทั้งสองด้าน

ภูมิภาคที่หมดประจุ

ภูมิภาคที่หมดประจุจะเกิดขึ้นที่จังหวะที่อิเล็กตรอนอิสระและหลุมรวมกัน สร้างพื้นที่ที่ไม่มีพาหะประจุอิสระ

กำลังส่ง

การใช้กำลังส่งลดความกว้างของภูมิภาคที่หมดประจุ ทำให้กระแสไหล

กลับ

การใช้กำลังกลับเพิ่มความกว้างของภูมิภาคที่หมดประจุ ป้องกันกระแสไหลจนกระทั่งถึงแรงดัน breakdown