Edellisessä opetusohjelmassa kuvattu vaikutus saavutetaan ilman, että varsinaiseen PN-liitokseen kohdistetaan ulkoista jännitettä, jolloin liitos on tasapainotilassa.
Jos kuitenkin tehtäisiin sähkökytkennät sekä N-tyypin että P-tyypin materiaalien päihin ja kytkettäisiin ne sitten paristolähteeseen, on nyt olemassa lisäenergialähde potentiaaliesteen ylittämiseksi.
Tämän lisäenergialähteen lisäämisen vaikutuksesta vapaat elektronit pystyvät ylittämään köyhtymisalueen puolelta toiselle. PN-liitoksen käyttäytyminen potentiaaliesteen leveyden suhteen tuottaa epäsymmetrisesti johtavan kahden terminaalin laitteen, joka tunnetaan paremmin nimellä PN-liitosdiodi.
PN-liitosdiodi on yksi yksinkertaisimmista puolijohdekomponenteista, ja sen ominaispiirteenä on virran kulkeminen vain yhteen suuntaan. Toisin kuin vastus, diodi ei kuitenkaan käyttäydy lineaarisesti suhteessa syötettyyn jännitteeseen, koska diodilla on eksponentiaalinen virta-jännite ( I-V ) -suhde, ja siksi emme voi kuvata sen toimintaa yksinkertaisesti käyttämällä yhtälöä, kuten Ohmin lakia.
Jos PN-liitoksen molempien päiden väliin kytketään sopiva positiivinen jännite (”forward bias”), se voi syöttää vapaille elektroneille ja rei’ille ylimääräistä energiaa, jota ne tarvitsevat liityntäpisteen ylittämiseen, kun PN-liitoksen ympärillä olevan tyhjentymiskerroksen leveys pienenee.
Negatiivisen jännitteen (”reverse bias”) kytkemisellä saadaan aikaan se, että vapaat varaukset vetäytyvät pois liityntäpisteestä, mikä johtaa tyhjentymiskerroksen leveyden kasvamiseen. Tämä vaikuttaa siten, että itse liitoksen tehollinen resistanssi kasvaa tai pienenee sallien tai estäen virran kulun diodin pn-liitoksen läpi.
Tällöin depletion-kerros leventyy käänteisjännitteen käytön lisääntyessä ja kapenee eteenpäin suuntautuvan jännitteen käytön lisääntyessä. Tämä johtuu PN-liitoksen kahden puolen sähköisten ominaisuuksien eroista, jotka johtavat fysikaalisten muutosten tapahtumiseen. Yksi tuloksista tuottaa tasasuuntauksen, joka näkyy PN-liitosdiodien staattisissa I-V (virta-jännite) -ominaisuuksissa. Tasasuuntaus näkyy epäsymmetrisenä virran kulkuna, kun biasjännitteen napaisuutta muutetaan alla esitetyllä tavalla.
Junction-diodin symboli ja staattiset I-V-ominaisuudet
Mutta ennen kuin pystymme käyttämään PN-liitäntää käytännöllisenä laitteena tai tasasuuntaavana laitteena meidän on ensin biasoitava liitäntä eli kytkettävä jännitepotentiaalia sen yli. Yllä olevalla jänniteakselilla ”Reverse Bias” viittaa ulkoiseen jännitepotentiaaliin, joka kasvattaa potentiaaliesteen. Ulkoisen jännitteen, joka pienentää potentiaalibarrieria, sanotaan toimivan ”Forward Bias” -suunnassa.
Vakiokytkentädiodilla on kaksi toiminta-aluetta ja kolme mahdollista ”biasointitilaa”, ja nämä ovat:
- 1. ”Forward Bias”. Zero Bias – PN-liitosdiodiin ei kohdisteta ulkoista jännitepotentiaalia.
- 2. Reverse Bias – Jännitepotentiaali kytketään negatiivisena, (-ve) P-tyypin materiaaliin ja positiivisena, (+ve) N-tyypin materiaaliin diodin poikki, mikä vaikuttaa PN-liitosdiodin leveyden kasvattamiseen.
- 3. Forward Bias – Jännitepotentiaali kytketään positiivisena, (+ve) P-tyypin materiaaliin ja negatiivisena, (-ve) N-tyypin materiaaliin diodin poikki, millä on PN-liitosdiodin leveyttä pienentävä vaikutus.
Zero Biased Junction Diode
Kun diodi kytketään Zero Bias -tilassa, PN-liitokseen ei kohdistu ulkoista potentiaalienergiaa. Jos diodien terminaalit kuitenkin oikosuljetaan toisiinsa, muutamat reiät (enemmistökantajat) P-tyypin materiaalissa, joilla on tarpeeksi energiaa potentiaaliesteen ylittämiseen, liikkuvat liitoksen yli tätä esteen potentiaalia vastaan. Tämä tunnetaan nimellä ”Eteenpäin suuntautuva virta”, ja siihen viitataan nimellä IF
Vastaavasti N-tyypin materiaalissa syntyvät reiät (vähemmistökantajat) pitävät tilannetta suotuisana ja siirtyvät liitoksen yli vastakkaiseen suuntaan. Tämä tunnetaan nimellä ”käänteisvirta” ja siihen viitataan nimellä IR. Tätä elektronien ja reikien siirtymistä edestakaisin PN-liitoksen yli kutsutaan diffuusioksi, kuten alla on esitetty.
Zero Biased PN Junction Diode
Potentiaalieste, joka nyt on olemassa, estää uusien enemmistökantajien diffuusion liitoksen yli. Potentiaalieste kuitenkin auttaa vähemmistökantajia (muutama vapaa elektroni P-alueella ja muutama reikä N-alueella) ajautumaan liitoksen yli.
Tällöin syntyy ”tasapaino” tai tasapaino, kun enemmistökantajat ovat yhtä suuret ja molemmat liikkuvat vastakkaisiin suuntiin, jolloin nettotuloksena virtapiirissä virtaa nolla virtaa. Kun tämä tapahtuu, liitoksen sanotaan olevan ”dynaamisen tasapainon” tilassa.
Minoriteettikantajia syntyy jatkuvasti lämpöenergian vuoksi, joten tämä tasapainotila voidaan rikkoa nostamalla PN-liitoksen lämpötilaa, mikä aiheuttaa vähemmistökantajien syntymisen lisääntymisen, mikä johtaa vuotovirran kasvuun, mutta sähkövirta ei voi virrata, koska PN-liitokseen ei ole kytketty virtapiiriä.
Reverse Bias PN Junction -diodi
Kun diodi kytketään Reverse Bias -tilaan, N-tyypin materiaaliin kytketään positiivinen jännite ja P-tyypin materiaaliin negatiivinen jännite.
N-tyypin materiaaliin kohdistuva positiivinen jännite vetää elektroneja kohti positiivista elektrodia ja pois liitoksesta, kun taas P-tyypin päässä olevat reiät vetävät myös pois liitoksesta kohti negatiivista elektrodia.
Nettotulos on se, että heikkenemiskerros kasvaa leveämmäksi elektronien ja reikien puuttuessa ja muodostaa korkean impedanssin polun, melkeinpä eristeen, ja korkea potentiaalinen este syntyy liitoksen poikki estäen siten virran kulun puolijohdemateriaalin läpi.
Reverse Biasin aiheuttama Depletion-kerroksen kasvu
Tämä tila edustaa suurta vastusarvoa PN-liitokselle ja käytännössä nollavirta virtaa liitosdiodin läpi biasjännitteen kasvaessa. Liittymän läpi virtaa kuitenkin hyvin pieni käänteinen vuotovirta, joka voidaan tavallisesti mitata mikroampeereina, ( μA ).
Yksi viimeinen seikka, jos diodiin kohdistettua käänteistä biasjännitettä Vr nostetaan riittävän suureksi, se aiheuttaa diodin PN-liittymän ylikuumenemisen ja pettämisen liittymää ympäröivän lumivyöryilmiön vuoksi. Tämä voi aiheuttaa diodin oikosulun ja johtaa piirin maksimivirran kulkuun, ja tämä näkyy alla olevassa käänteisessä staattisessa ominaiskäyrässä asteittaisena laskevana kaltevuutena.
Reverse Characteristics Curve for a Junction Diode
Joskus tällä lumivyöryilmiöllä on käytännöllisiä sovelluksia jännitettä stabiloivissa piireissä, joissa diodin kanssa käytetään sarjarajoitusvastusta rajoittamaan tämä käänteinen läpilyöntivirta esiasetettuun enimmäisarvoon, jolloin saadaan aikaan kiinteä jännitteen ulostulo diodin yli. Tämäntyyppiset diodit tunnetaan yleisesti nimellä Zener-diodit, ja niitä käsitellään myöhemmässä opetusohjelmassa.
Forward Biased PN Junction Diode
Kun diodi kytketään Forward Bias -tilaan, N-tyypin materiaaliin kohdistuu negatiivinen jännite ja P-tyypin materiaaliin positiivinen jännite. Jos tämä ulkoinen jännite nousee suuremmaksi kuin potentiaaliesteen arvo, noin 0,7 volttia piille ja 0,3 volttia germaniumille, potentiaaliesteiden vastustus ylittyy ja virta alkaa kulkea.
Tämä johtuu siitä, että negatiivinen jännite työntää tai hylkii elektroneja kohti liitosta antaen niille energiaa ylittää ja yhdistyä reikien kanssa, joita positiivinen jännite työntää vastakkaiseen suuntaan kohti liitosta. Tämä johtaa ominaiskäyrään, jossa virtaa nollavirta tähän jännitepisteeseen asti, jota kutsutaan ”polveksi” staattisissa käyrästöissä, ja sitten suuri virran virtaus diodin läpi pienellä ulkoisen jännitteen kasvulla, kuten alla on esitetty.
Kytkentädiodin eteenpäin suuntautuva ominaiskäyrä
Kytkentädiodiin kohdistuva eteenpäin suuntautuva esijännite johtaa siihen, että tyhjentymiskerroksesta tulee hyvin ohut ja kapea, mikä edustaa matalaimpedanssista polkua kytkennän läpi, mikä sallii siten suurten virtojen virtaamisen. Kohta, jossa tämä virran äkillinen kasvu tapahtuu, esitetään yllä olevassa staattisessa I-V-ominaiskäyrässä ”polvipisteenä”.
Vähennyskerroksen pieneneminen eteenpäinvaraajan vaikutuksesta
Tämä tila edustaa matalaresistanssista reittiä PN-liitännän läpi, joka mahdollistaa hyvin suurten virtojen virtaamisen diodin läpi vain pienellä lisäyksellä esijännitteessä. Todellinen potentiaaliero liitoskohdan tai diodin yli pysyy vakiona heikkenemiskerroksen vaikutuksesta noin 0,3 voltissa germaniumin ja noin 0,7 voltissa piin liitoskohdan diodeissa.
Koska diodi voi johtaa ”ääretöntä” virtaa tämän polvipisteen yläpuolella, koska siitä tulee käytännössä oikosulku, sen vuoksi diodin kanssa sarjassa käytetään vastuksia rajoittamaan diodin virran kulkua. Sen suurimman eteenpäin suuntautuvan virran spesifikaation ylittäminen aiheuttaa sen, että laite hukkaa enemmän tehoa lämmön muodossa kuin mihin se on suunniteltu, mikä johtaa laitteen hyvin nopeaan vikaantumiseen.
Yhteenveto liitosdiodista
Liitosdiodin PN-liitosalueella on seuraavat tärkeät ominaisuudet:
- Puolijohteissa on kahdentyyppisiä liikuteltavia varauksenkuljettajia, ”reikiä” ja ”elektroneja”.
- Aukot ovat positiivisesti varautuneita, kun taas elektronit negatiivisesti varautuneita.
- Puolijohde voidaan seostaa luovuttavilla epäpuhtauksilla, kuten antimonilla (N-tyypin seostaminen), jolloin se sisältää liikkuvia varauksia, jotka ovat pääasiassa elektroneja.
- Puolijohde voidaan seostaa akseptori-epäpuhtauksilla, kuten boorilla (P-tyypin seostaminen), jolloin se sisältää liikkuvia varauksia, jotka ovat pääasiassa reikiä.
- Liitosalueella itsessään ei ole varauksenkuljettajia, ja sitä kutsutaan tyhjenemisalueeksi.
- Liitosalueella (depletion-alueella) on fyysinen paksuus, joka vaihtelee käytetyn jännitteen mukaan.
- Kun diodi on nollapainotteinen, mitään ulkoista energialähdettä ei käytetä ja luonnollinen potentiaalibarrieri kehittyy depletion-kerroksen yli, joka on noin 0.5-0.7v piidiodien osalta ja noin 0.3 volttia germaniumdiodien osalta.
- Kun liitosdiodi on Forward Biased, depletion-alueen paksuus pienenee ja diodi toimii kuin oikosulku, joka sallii täyden virtapiirin virran kulun.
- Kun liitosdiodi on Reverse Biased, depletion-alueen paksuus kasvaa ja diodi toimii kuin avoin virtapiiri, joka estää virran kulkua (vain hyvin pieni vuotovirta virtaa).
Olemme myös nähneet edellä, että diodi on kahden terminaalin epälineaarinen laite, jonka I-V-ominaisuudet ovat polariteettiriippuvaisia, koska sovelletun jännitteen, VD, polariteetista riippuen diodi on joko Forward Biased, VD > 0 tai Reverse Biased, VD < 0. Kummallakin tavalla voimme mallintaa nämä virta-jännite-ominaisuudet sekä ideaaliselle diodille että todelliselle piidiodille esitetyllä tavalla:
liitosdiodin ideaaliset ja todelliset ominaisuudet
Seuraavassa diodeja käsittelevässä oppitunnissa tarkastelemme piensignaalista diodia, jota kutsutaan joskus myös kytkentädiodiksi ja jota käytetään yleisissä elektronisissa piireissä. Nimensä mukaisesti signaalidiodi on suunniteltu pienjännitteisiin tai korkeataajuisiin signaalisovelluksiin, kuten radio- tai digitaalisissa kytkentäpiireissä.
Signaalidiodit, kuten 1N4148, läpäisevät vain hyvin pieniä sähkövirtoja vastakohtana suurivirtaisille verkkotasasuuntausdiodeille, joissa piidiodeja yleensä käytetään. Myös seuraavassa opetusohjelmassa tarkastelemme signaalidiodin staattista virta-jännite-ominaiskäyrää ja parametreja.
