Efekt popsaný v předchozím učebním materiálu je dosažen, aniž by na vlastní přechod PN bylo přivedeno vnější napětí, což vede k tomu, že přechod je v rovnovážném stavu.
Pokud bychom však na koncích obou materiálů typu N a typu P vytvořili elektrické spoje a poté je připojili k bateriovému zdroji, existuje nyní dodatečný zdroj energie k překonání potenciálové bariéry.
Důsledkem přidání tohoto dodatečného zdroje energie je, že volné elektrony mohou přecházet přes depleční oblast z jedné strany na druhou. Chování přechodu PN s ohledem na šířku potenciálové bariéry vytváří asymetrické vodivé zařízení se dvěma vývody, známější jako dioda s přechodem PN.
Dioda s přechodem PN je jedním z nejjednodušších polovodičových zařízení, které má vlastnost propouštět proud pouze v jednom směru. Na rozdíl od rezistoru se však dioda nechová lineárně vzhledem k přiloženému napětí, protože dioda má exponenciální vztah mezi proudem a napětím ( I-V ), a proto nemůžeme její činnost popsat jednoduše pomocí rovnice, jako je Ohmův zákon.
Přiložíme-li mezi oba konce přechodu PN vhodné kladné napětí (dopředné předpětí), může dodat volným elektronům a dírám dodatečnou energii, kterou potřebují k přechodu, protože se zmenší šířka depleční vrstvy kolem přechodu PN.
Přiložením záporného napětí (zpětné předpětí) dojde k odtažení volných nábojů od přechodu, což má za následek zvětšení šířky depleční vrstvy. To má za následek zvýšení nebo snížení efektivního odporu samotného přechodu umožňujícího nebo blokujícího průtok proudu diodou pn-přechod.
Při zvýšení přiloženého zpětného napětí se depleční vrstva rozšiřuje a při zvýšení přiloženého přímého napětí se zužuje. To je způsobeno rozdíly v elektrických vlastnostech na obou stranách přechodu PN, v jejichž důsledku dochází k fyzikálním změnám. Jedním z výsledků je usměrnění, jak je vidět na statické I-V (proudově-napěťové) charakteristice diody s přechodem PN. Rektifikace se projevuje nesymetrickým průtokem proudu při změně polarity usměrňovacího napětí, jak je znázorněno níže.
Symbol přechodu diody a statická I-V charakteristika
Než však budeme moci použít přechod PN jako praktické zařízení nebo jako usměrňovací zařízení, musíme přechod nejprve předpólovat, tj. připojit na něj potenciál napětí. Na výše uvedené napěťové ose „Reverse Bias“ označuje vnější napěťový potenciál, který zvyšuje potenciálovou bariéru. O vnějším napětí, které snižuje potenciálovou bariéru, se říká, že působí ve směru „Forward Bias“.
U standardní přechodové diody existují dvě pracovní oblasti a tři možné podmínky „předpětí“, a to:
- 1. Vnější napětí, které snižuje potenciálovou bariéru, působí ve směru „Forward Bias“. Nulové předpětí – na přechodovou diodu PN není přiveden žádný vnější napěťový potenciál.
- 2. Nulové předpětí – na přechodovou diodu PN není přiveden žádný vnější napěťový potenciál. Reverzní předpětí – Napěťový potenciál je připojen záporně, (-ve) k materiálu typu P a kladně, (+ve) k materiálu typu N napříč diodou, což má za následek zvětšení šířky diody přechodu PN.
- 3. Předpětí – Napěťový potenciál je připojen kladně (+ve) k materiálu typu P a záporně (-ve) k materiálu typu N napříč diodou, což má za následek Zmenšení šířky diody přechodu PN.
Dioda s nulovým předpětím
Pokud je dioda zapojena ve stavu nulového předpětí, není na přechod PN přivedena žádná vnější potenciální energie. Pokud jsou však svorky diody zkratovány, několik děr (majoritních nosičů) v materiálu typu P s dostatečnou energií k překonání potenciálové bariéry se bude pohybovat přes přechod proti tomuto bariérovému potenciálu. Tomuto jevu se říká „dopředný proud“ a označuje se IF
Také díry vzniklé v materiálu typu N (minoritní nosiče) považují tuto situaci za příznivou a pohybují se přes přechod opačným směrem. Tento jev se nazývá „zpětný proud“ a označuje se IR. Tento přenos elektronů a děr tam a zpět přes přechod PN se nazývá difúze, jak je znázorněno níže.
Dioda s nulovým předpětím na přechodu PN
Potenciálová bariéra, která nyní existuje, odrazuje od difúze dalších většinových nosičů přes přechod. Potenciálová bariéra však pomáhá minoritním nosičům (málo volných elektronů v oblasti P a málo děr v oblasti N) driftovat přes přechod.
Poté nastane „rovnováha“ neboli rovnováha, kdy se majoritní nosiče vyrovnají a oba se pohybují opačným směrem, takže čistým výsledkem je nulový proud tekoucí v obvodu. Když k tomu dojde, říká se, že přechod je ve stavu „dynamické rovnováhy“.
Minoritní nosiče jsou neustále generovány v důsledku tepelné energie, takže tento stav rovnováhy může být porušen zvýšením teploty přechodu PN, což způsobí zvýšení generace minoritních nosičů, a tím zvýšení unikajícího proudu, ale elektrický proud nemůže téct, protože k přechodu PN nebyl připojen žádný obvod.
Dioda s reverzním předpětím přechodu PN
Při zapojení diody ve stavu reverzního předpětí je na materiál typu N přivedeno kladné napětí a na materiál typu P záporné napětí.
Kladné napětí přiložené na materiál typu N přitahuje elektrony směrem ke kladné elektrodě a od přechodu, zatímco díry na konci typu P jsou rovněž přitahovány směrem od přechodu k záporné elektrodě.
Celkovým výsledkem je, že depleční vrstva se v důsledku nedostatku elektronů a děr rozšiřuje a představuje cestu s vysokou impedancí, téměř izolant, a přes přechod se vytváří vysoká potenciálová bariéra, která tak brání průtoku proudu polovodičovým materiálem.
Zvětšení depleční vrstvy v důsledku zpětného předpětí
Tento stav představuje vysokou hodnotu odporu PN přechodu a při zvýšení předpětí protéká diodou prakticky nulový proud. Přechodem však protéká velmi malý zpětný svodový proud, který lze obvykle měřit v mikroampérech, ( μA ).
Ještě jedna poznámka na závěr, pokud se zpětné předpětí Vr přiložené na diodu zvýší na dostatečně vysokou hodnotu, způsobí to přehřátí přechodu PN diody a její selhání v důsledku lavinového efektu v okolí přechodu. To může způsobit, že se dioda zkratuje a dojde k průtoku maximálního proudu obvodem, což se na níže uvedené křivce zpětné statické charakteristiky projeví jako schodovitý sklon směrem dolů.
Křivka zpětných charakteristik pro přechodovou diodu
Někdy má tento lavinový jev praktické využití v obvodech stabilizace napětí, kde se s diodou používá sériový omezovací rezistor k omezení tohoto zpětného průrazného proudu na předem nastavenou maximální hodnotu, čímž se vytváří pevné výstupní napětí na diodě. Tyto typy diod jsou běžně známé jako Zenerovy diody a jsou probrány v některém z dalších učebních textů.
Dioda s přechodem PN v předpětí
Při zapojení diody v předpětí je na materiál typu N přivedeno záporné napětí a na materiál typu P kladné napětí. Je-li toto vnější napětí větší než hodnota potenciálové bariéry, přibližně 0,7 V u křemíku a 0,3 V u germania, překoná se odpor potenciálových bariér a začne protékat proud.
Je to proto, že záporné napětí tlačí nebo odpuzuje elektrony směrem ke spoji a dává jim energii k přechodu a spojení s dírami, které jsou kladným napětím tlačeny opačným směrem ke spoji. Výsledkem je charakteristický průběh nulového proudu tekoucího až do tohoto bodu napětí, který se na statických křivkách nazývá „koleno“, a poté vysoký proud tekoucí diodou při malém nárůstu vnějšího napětí, jak je znázorněno níže.
Křivka dopředných charakteristik pro přechodovou diodu
Přiložení dopředného předpínacího napětí na přechodovou diodu má za následek, že se depleční vrstva stane velmi tenkou a úzkou, což představuje cestu s nízkou impedancí přes přechod, a tím umožňuje průtok vysokých proudů. Bod, ve kterém dochází k tomuto náhlému nárůstu proudu, je na výše uvedené statické I-V charakteristice znázorněn jako bod „kolena“.
Zúžení depleční vrstvy v důsledku dopředného předpětí
Tento stav představuje nízkoodporovou cestu přes PN přechod, která umožňuje průtok velmi velkých proudů diodou pouze při malém zvýšení předpětí. Skutečný rozdíl potenciálů napříč přechodem nebo diodou je působením vyčerpávací vrstvy udržován na konstantní hodnotě přibližně 0,3 V u germaniových a přibližně 0,7 V u křemíkových diod s přechodem.
Protože nad tímto kolenním bodem může dioda vést „nekonečný“ proud, protože se fakticky stává zkratem, používají se proto v sérii s diodou rezistory, které omezují její proudový tok. Překročení specifikace maximálního přímého proudu způsobuje, že zařízení odvádí ve formě tepla více energie, než na kolik bylo navrženo, což vede k velmi rychlému selhání zařízení.
Shrnutí o přechodové diodě
Oblast PN přechodu přechodové diody má následující důležité vlastnosti:
- Polovodiče obsahují dva typy pohyblivých nosičů náboje, „díry“ a „elektrony“.
- Díry jsou nabité kladně, zatímco elektrony záporně.
- Polovodič může být dopován donorovými nečistotami, jako je antimon (dopování typu N), takže obsahuje pohyblivé náboje, kterými jsou především elektrony.
- Polovodič může být dopován akceptorovými nečistotami, například bórem (dopování typu P), takže obsahuje pohyblivé náboje, kterými jsou především díry.
- Sama oblast přechodu nemá žádné nosiče náboje a nazývá se depleční oblast.
- Přechodová (depleční) oblast má fyzikální tloušťku, která se mění s přiloženým napětím.
- Když je dioda nulově předpólovaná, není přiložen žádný vnější zdroj energie a přes depleční vrstvu se vytvoří přirozená potenciálová bariéra, která je přibližně 0.5 až 0,7 V u křemíkových diod a přibližně 0,3 V u germaniových diod.
- Když je přechodová dioda předpjatá (Forward Biased), tloušťka depleční oblasti se zmenšuje a dioda se chová jako zkrat umožňující průchod proudu celým obvodem.
- Když je přechodová dioda předpjatá (Reverse Biased), tloušťka depleční oblasti se zvětšuje a dioda se chová jako otevřený obvod blokující průchod jakéhokoli proudu (poteče pouze velmi malý svodový proud).
Výše jsme také viděli, že dioda je dvouvývodové nelineární zařízení, jehož I-V charakteristiky jsou závislé na polaritě, protože v závislosti na polaritě přiloženého napětí VD je dioda buď Forward Biased, VD > 0, nebo Reverse Biased, VD < 0. V závislosti na polaritě přiloženého napětí VD je dioda buď Forward Biased, VD > 0, nebo Reverse Biased, VD < 0. Každopádně můžeme tyto proudově-napěťové charakteristiky modelovat jak pro ideální diodu, tak pro skutečnou křemíkovou diodu, jak je uvedeno na obrázku:
Přechodová dioda Ideální a skutečná charakteristika
V dalším kurzu o diodách se budeme zabývat malou signální diodou, někdy nazývanou spínací dioda, která se používá v obecných elektronických obvodech. Jak napovídá její název, signální dioda je určena pro aplikace s nízkonapěťovými nebo vysokofrekvenčními signály, například v rádiových nebo digitálních spínacích obvodech.
Signální diody, jako je například 1N4148, propouštějí pouze velmi malé elektrické proudy na rozdíl od vysokoproudých síťových usměrňovacích diod, ve kterých se obvykle používají křemíkové diody. Také v příštím kurzu se budeme zabývat křivkou a parametry statické proudově-napěťové charakteristiky signální diody.
.