Що таке діод з PN-перехрестя?

Що таке діод з PN-перехід?

Діод з PN-перехід

Діод з PN-перехід є основним компонентом в електроніці. У цьому типі діода одна сторона напівпровідника доповнюється приймачами (P-тип) іншого сторони — донорами (N-тип). Цей діод можна класифікувати як «ступінь градує» або «лінійно градує» перехід.

У діоді з PN-перехід ступеневого градує, концентрація допанту є однаковою на обох сторонах до переходу. У лінійно градуваному переході, концентрація допанту майже лінійно змінюється з відстанню від переходу. Без застосування напруги, вільні електрони рухаються до P-сторони, а дірки — до N-сторони, де вони об'єднуються.

Атоми приймачів біля переходу на P-стороні стають негативними іонами, а атоми донорів біля переходу на N-стороні стають позитивними іонами. Це створює електричне поле, яке протидіє подальшій дифузії електронів і дірок. Ця область з невкритими іонами називається областю деплеції.

Якщо ми застосуємо пряму напругу до діода з PN-перехід. Це означає, що позитивна сторона батареї підключена до P-сторони, тоді ширина області деплеції зменшується, і носії заряду (дірки і вільні електрони) рухаються через перехід. Якщо ми застосуємо зворотну напругу до діода, ширина області деплеції збільшується, і заряд не може рухатися через перехід.

Характеристики діода з PN-перехід

Розглянемо PN-перехід з концентрацією донорів ND і концентрацією приймачів NA. Припустимо, що всі атоми донорів надали вільні електрони і стали позитивними донорними іонами, а всі атоми приймачів прийняли електрони і створили відповідні дірки, ставши негативними приймачевими іонами. Тому можна сказати, що концентрація вільних електронів (n) і донорних іонів ND однакова, і аналогічно, концентрація дірок (p) і приймачевих іонів (NA) однакова. Ми знехтували дірками і вільними електронами, створеними в напівпровідниках через неплановані домішки та дефекти.

При переході PN, вільні електрони, надані атомами донорів на N-стороні, дифузують до P-сторони і рекомбінуються з дірками. Аналогічно, дірки, створені атомами приймачів на P-стороні, дифузують до N-сторони і рекомбінуються з вільними електронами. Після цього процесу рекомбінації, виникає брак або деплеція носіїв заряду (вільних електронів і дірок) у переході. Область переходу, де вільні носії заряду деплетуються, називається областю деплеції.

З-за відсутності вільних носіїв заряду (вільних електронів і дірок), атоми донорів на N-стороні і атоми приймачів на P-стороні переходу стають невкритими. Ці позитивні невкриті іони донорів на N-стороні, прилеглій до переходу, і негативні невкриті іони приймачів на P-стороні, прилеглій до переходу, створюють просторовий заряд у переході PN. Напруга, яка розвивається у переході через цей просторовий заряд, називається дифузійною напругою. Дифузійна напруга в діоді з PN-перехід може бути виражена як. Дифузійна потенціал створює потенційний бар’єр для подальшої міграції вільних електронів з N-сторони до P-сторони і дірок з P-сторони до N-сторони. Це означає, що дифузійний потенціал запобігає носіям заряду переходу через перехід.

 Ця область є сильно опорною через деплецію вільних носіїв заряду в цій області. Ширина області деплеції залежить від застосованої напруги. Зв'язок між шириною області деплеції і напругою може бути представлений рівнянням, яке називається рівнянням Пуассона. Тут, ε — проникність напівпровідника, а V — напруга. Отже, при застосуванні прямої напруги ширина області деплеції, тобто бар'єру PN-перехід, зменшується і, нарешті, зникає.

Таким чином, при відсутності потенційного бар'єру у переході при прямій напрузі вільні електрони входять до P-регіону, а дірки входять до N-регіону, де вони рекомбінуються і виділяють фотон при кожній рекомбінації. В результаті, буде пропускатися пряме струм через діод. Струм через PN-перехід виражається як. Тут, напруга V застосовується до PN-перехід, а загальний струм I проходить через PN-перехід.

I s — зворотній насыщенный струм, e = заряд електрона, k — константа Больцмана, T — температура в кельвинах.

Графік нижче показує характеристику струму-напруги діода з PN-перехід. Коли V позитивна, перехід є прямим, а коли V негативна, перехід є зворотним. Коли V негативна і менша за VTH, струм мінімальний. Але коли V перевищує VTH, струм раптово стає дуже великим. Напруга VTH відома як порогова або включаюча напруга. Для діоду з кремнію VTH = 0,6 В. При зворотній напрузі, відповідній точці P, відбувається різкий зростання зворотного струму. Ця частина характеристик відома як область пробою.

Ступінь градує перехід

У ступеневому градує перехід, концентрація допантів є однаковою до переходу на обох сторонах.

Область деплеції

Область деплеції формується у переході, де вільні електрони і дірки рекомбінуються, створюючи область без вільних носіїв заряду.

Пряма напруга

Застосування прямої напруги зменшує ширину області деплеції, дозволяючи струму протікати.

Зворотна напруга

Застосування зворотної напруги збільшує ширину області деплеції, заблоковуючи протікання струму, поки не буде досягнута напруга пробою.