Den effekt, der er beskrevet i den foregående vejledning, opnås uden at der påføres nogen ekstern spænding på selve PN junction, hvilket resulterer i, at junctionen er i en tilstand af ligevægt.
Hvis vi imidlertid laver elektriske forbindelser i enderne af både N-type- og P-type-materialerne og derefter forbinder dem med en batterikilde, findes der nu en ekstra energikilde til at overvinde potentialbarrieren.
Effekten af at tilføje denne ekstra energikilde resulterer i, at de frie elektroner kan krydse udtyndingsområdet fra den ene side til den anden. PN-forbindelsens opførsel med hensyn til potentialbarrierens bredde giver en asymmetrisk ledende enhed med to terminaler, bedre kendt som PN-forbindelsesdioden.
En PN-forbindelsesdiode er en af de enkleste halvlederkomponenter, der findes, og som har den egenskab, at den kun lader strømmen passere i én retning. I modsætning til en modstand opfører en diode sig imidlertid ikke lineært i forhold til den påførte spænding, da dioden har et eksponentiel strøm-spændings ( I-V ) forhold, og derfor kan vi ikke beskrive dens funktion ved blot at bruge en ligning som Ohm’s lov.
Hvis der påføres en passende positiv spænding (forward bias) mellem de to ender af PN-forbindelsen, kan den forsyne frie elektroner og huller med den ekstra energi, de har brug for til at krydse forbindelsen, idet bredden af depletionlaget omkring PN-forbindelsen mindskes.
Det at påføre en negativ spænding (reverse bias) resulterer i, at de frie ladninger trækkes væk fra forbindelsen, hvilket resulterer i, at depletionlagets bredde øges. Dette har den virkning, at den effektive modstand i selve krydset øges eller mindskes, hvilket tillader eller blokerer for strømmen gennem diodens pn-forbindelse.
Dermed udvides udtyndingslaget ved øget påføring af en omvendt spænding og indsnævres ved øget påføring af en fremadrettet spænding. Dette skyldes forskellene i de elektriske egenskaber på de to sider af PN-forbindelsen, hvilket resulterer i fysiske ændringer, der finder sted. Et af resultaterne giver ensretning, som det fremgår af PN-forbindelsesdiodernes statiske I-V-karakteristik (strøm-spændingskarakteristik). Ensretning viser sig ved en asymmetrisk strømgennemstrømning, når polariteten af forspændingen ændres, som vist nedenfor.
Symbol for en PN-diode og statisk I-V-karakteristik
Men før vi kan bruge PN-forbindelsen som en praktisk enhed eller som ensrettende enhed, skal vi først forspænde forbindelsen, dvs. forbinde et spændingspotentiale på tværs af forbindelsen. På spændingsaksen ovenfor henviser “Reverse Bias” til et eksternt spændingspotentiale, som øger potentialbarrieren. En ekstern spænding, der mindsker potentialbarrieren, siges at virke i “Forward Bias”-retningen.
Der er to arbejdsområder og tre mulige “biasing”-betingelser for en standard junction-diode, og disse er:
- 1. Nulforspænding – Der påføres ikke noget eksternt spændingspotentiale på PN-junctiondioden.
- 2. Omvendt forspænding – Spændingspotentialet er forbundet negativt, (-ve) til P-type materialet og positivt, (+ve) til N-type materialet over dioden, hvilket har den virkning, at PN junction diodens bredde øges.
- 3. Forward Bias – Spændingspotentialet er forbundet positivt, (+ve) til P-type materialet og negativt, (-ve) til N-type materialet over dioden, hvilket har den virkning, at PN junction diodens bredde mindskes.
Zero Biased Junction Diode
Når en diode er tilsluttet i en Zero Bias tilstand, tilføres der ingen ekstern potentiel energi til PN junctionen. Hvis diodens terminaler imidlertid er kortsluttet, vil nogle få huller (majoritetsbærere) i P-type materialet med tilstrækkelig energi til at overvinde potentialbarrieren bevæge sig over krydset mod dette barrierepotentiale. Dette kaldes “Forward Current” (fremadgående strøm) og betegnes IF
På samme måde finder de huller, der dannes i N-type materialet (minoritetsbærere), denne situation gunstig og bevæger sig over krydset i den modsatte retning. Dette er kendt som “omvendt strøm” og betegnes IR. Denne overførsel af elektroner og huller frem og tilbage over PN-forbindelsen er kendt som diffusion, som vist nedenfor.
Zero Biased PN Junction Diode
Den potentielle barriere, der nu findes, modvirker diffusion af flere majoritetsbærere over forbindelsen. Men potentialbarrieren hjælper minoritetsbærere (få frie elektroner i P-regionen og få huller i N-regionen) til at drive over krydset.
Så vil der blive etableret en “ligevægt” eller balance, når majoritetsbærerne er lige store og begge bevæger sig i modsatte retninger, så nettoresultatet er nul strøm i kredsløbet. Når dette sker, siges krydset at være i en tilstand af “dynamisk ligevægt”.
Mindretalsbærerne genereres konstant på grund af termisk energi, så denne ligevægtstilstand kan brydes ved at hæve temperaturen i PN-krydset, hvilket medfører en stigning i genereringen af mindretalsbærere og dermed en stigning i lækstrømmen, men der kan ikke flyde en elektrisk strøm, da der ikke er tilsluttet et kredsløb til PN-krydset.
Reverse Biased PN Junction Diode
Når en diode er tilsluttet i en omvendt bias-tilstand, påføres en positiv spænding på N-type materialet og en negativ spænding påføres P-type materialet.
Den positive spænding, der påføres N-type materialet, tiltrækker elektroner mod den positive elektrode og væk fra krydset, mens hullerne i P-type enden også tiltrækkes væk fra krydset mod den negative elektrode.
Nettoresultatet er, at udtyndingslaget bliver bredere på grund af mangel på elektroner og huller og udgør en høj impedansvej, næsten en isolator, og der skabes en høj potentialbarriere over krydset, hvorved strømmen forhindres i at løbe gennem halvledermaterialet.
Vækst i udtyndingslaget på grund af omvendt forspænding
Denne tilstand repræsenterer en høj modstandsværdi for PN-forbindelsen, og der strømmer praktisk talt ingen strøm gennem forbindelsesdioden ved en stigning i forspændingsspændingen. Der flyder dog en meget lille omvendt lækstrøm gennem junctionen, som normalt kan måles i mikroampere, ( μA ).
Et sidste punkt: Hvis den omvendte bias-spænding Vr, der påføres dioden, øges til en tilstrækkelig høj nok værdi, vil det medføre, at diodens PN-junction overophedes og svigter på grund af lavineeffekten omkring junctionen. Dette kan medføre, at dioden bliver kortsluttet og resulterer i maksimal strøm i kredsløbet, hvilket er vist som en trinvis nedadgående hældning i kurven over de omvendte statiske egenskaber nedenfor.
Reverse karakteristikkurve for en junction-diode
I nogle tilfælde har denne lavineeffekt praktiske anvendelser i spændingsstabiliserende kredsløb, hvor en seriebegrænsningsmodstand anvendes sammen med dioden for at begrænse denne omvendte nedbrydningsstrøm til en forudindstillet maksimalværdi og derved producere en fast udgangsspænding over dioden. Disse typer dioder er almindeligvis kendt som Zenerdioder og behandles i en senere vejledning.
Forward Biased PN Junction Diode
Når en diode er tilsluttet i en Forward Bias-tilstand, påføres en negativ spænding på N-type materialet og en positiv spænding påføres P-type materialet. Hvis denne eksterne spænding bliver større end værdien af potentialbarrieren, ca. 0,7 volt for silicium og 0,3 volt for germanium, vil potentialbarrierens modstand blive overvundet, og strømmen vil begynde at flyde.
Dette skyldes, at den negative spænding skubber eller frastøder elektroner mod krydset, hvilket giver dem energi til at krydse over og kombinere sig med de huller, der skubbes i modsat retning mod krydset af den positive spænding. Dette resulterer i en karakteristisk kurve med nul strøm op til dette spændingspunkt, kaldet “knæet” på de statiske kurver, og derefter en høj strøm gennem dioden ved en lille stigning i den eksterne spænding, som vist nedenfor.
Forward karakteristik kurve for en junction diode
Anvendelse af en forward biasing spænding på junction dioden resulterer i, at depletionlaget bliver meget tyndt og smalt, hvilket udgør en lav impedansvej gennem junctionen og derved tillader høje strømme at flyde. Det punkt, hvor denne pludselige stigning i strømmen finder sted, er repræsenteret på ovenstående statiske I-V-karakteristikkurve som “knæpunktet”.
Reduktion i depletionslaget som følge af forward bias
Denne tilstand repræsenterer den lavmodstandssti gennem PN-forbindelsen, der tillader meget store strømme at strømme gennem dioden med kun en lille stigning i bias-spændingen. Den faktiske potentialforskel over krydset eller dioden holdes konstant af udtyndingslagets virkning på ca. 0,3 V for germaniumdioder og ca. 0,7 V for dioder med siliciumkryds.
Da dioden kan lede “uendelig” strøm over dette knæpunkt, da den effektivt bliver en kortslutning, anvendes der derfor modstande i serie med dioden for at begrænse dens strømgennemstrømning. Overskridelse af dens maksimale specifikation for fremadrettet strøm medfører, at enheden afgiver mere strøm i form af varme, end den er designet til, hvilket resulterer i et meget hurtigt svigt af enheden.
Junction Diode Summary
PN-junction-regionen i en Junction Diode har følgende vigtige egenskaber:
- Halvledere indeholder to typer mobile ladningsbærere, “Huller” og “Elektroner”.
- Hullerne er positivt ladede, mens elektronerne er negativt ladede.
- En halvleder kan være doteret med donorforureninger som f.eks. antimon (N-type dotering), således at den indeholder mobile ladninger, som primært er elektroner.
- En halvleder kan være doteret med acceptorforureninger som f.eks. bor (P-type dotering), således at den indeholder mobile ladninger, som hovedsagelig er huller.
- Selve forbindelsesområdet har ingen ladningsbærere og kaldes depletionsområdet.
- Forbindelsesområdet (depletion) har en fysisk tykkelse, der varierer med den påførte spænding.
- Når en diode er nulforspændt, påføres der ingen ekstern energikilde, og der udvikles en naturlig potentialbarriere på tværs af et depletionslag, som er ca. 0.5 til 0,7 V for siliciumdioder og ca. 0,3 volt for germaniumdioder.
- Når en junction diode er Forward Biased, reduceres udtyndingsområdets tykkelse, og dioden fungerer som en kortslutning, der tillader fuld kredsløbsstrøm at flyde.
- Når en junction diode er Reverse Biased, øges udtyndingsområdets tykkelse, og dioden fungerer som et åbent kredsløb, der blokerer for enhver strøm (kun en meget lille lækstrøm vil flyde).
Vi har også set ovenfor, at dioden er en ikke-lineær enhed med to terminaler, hvis I-V-karakteristik er polaritetsafhængig, da dioden afhængigt af polariteten af den påførte spænding, VD, er enten Forward Biased, VD > 0, eller Reverse Biased, VD < 0. Uanset hvad kan vi modellere disse strøm-spændingskarakteristika for både en ideel diode og for en reel siliciumdiode som vist:
Junction Diode Ideal og reelle karakteristika
I den næste vejledning om dioder vil vi se på små signaldioden, der undertiden kaldes en koblingsdiode, og som bruges i almindelige elektroniske kredsløb. Som navnet antyder, er signaldioden beregnet til lavspændings- eller højfrekvente signalanvendelser som f.eks. i radio- eller digitale koblingskredsløb.
Signaldioder, som f.eks. 1N4148, lader kun meget små elektriske strømme passere i modsætning til de højstrøms netretningsdioder, som siliciumdioder normalt anvendes til. Også i den næste tutorial vil vi undersøge signaldiodens statiske strøm-spændingsegenskaber kurve og parametre.
