Az előző bemutatóban leírt hatást úgy érjük el, hogy a tényleges PN-csomópontra semmilyen külső feszültséget nem kapcsolunk, ami azt eredményezi, hogy a csomópont egyensúlyi állapotban van.
Ha azonban mind az N-típusú, mind a P-típusú anyagok végein elektromos összeköttetéseket hoznánk létre, majd egy akkumulátorforráshoz csatlakoztatnánk őket, akkor most már egy további energiaforrás áll rendelkezésre a potenciálgát leküzdéséhez.
Ez a további energiaforrás hozzáadása azt eredményezi, hogy a szabad elektronok képesek átjutni a kimerülési tartományon az egyik oldalról a másikra. A PN-átmenetnek a potenciálgát szélességével kapcsolatos viselkedése egy aszimmetrikusan vezető kétpólusú eszközt eredményez, ismertebb nevén PN-átmenet diódát.
A PN-átmenet dióda az egyik legegyszerűbb félvezető eszköz, amelynek jellemzője, hogy csak egy irányban folyik át az áram. Az ellenállással ellentétben azonban a dióda nem viselkedik lineárisan az alkalmazott feszültséghez képest, mivel a dióda exponenciális áram-feszültség ( I-V ) kapcsolattal rendelkezik, és ezért nem tudjuk leírni a működését egyszerűen egy olyan egyenlet segítségével, mint Ohm törvénye.
Ha megfelelő pozitív feszültséget (forward bias) alkalmazunk a PN-összeköttetés két vége között, akkor a PN-összeköttetés körüli fogyatkozási réteg szélességének csökkenésével a szabad elektronok és lyukak számára az átmeneten való áthaladáshoz szükséges többletenergiát biztosíthatjuk.
Negatív feszültség (reverse bias) alkalmazásával a szabad töltések az átmenetből való kihúzódását eredményezi, ami a fogyatkozási réteg szélességének növekedését eredményezi. Ennek hatására magának az átmenetnek az effektív ellenállása megnő vagy csökken, lehetővé téve vagy megakadályozva az áram áramlását a dióda pn-átmenetén keresztül.
Az árnyékolási réteg a fordított feszültség alkalmazásának növelésével kiszélesedik, az előremenő feszültség alkalmazásának növelésével pedig szűkül. Ennek oka, hogy a PN-átmenet két oldalán az elektromos tulajdonságok különbségei miatt fizikai változások következnek be. Az egyik eredmény egyenirányítást eredményez, amint az a PN-csomóponti diódák statikus I-V (áram-feszültség) karakterisztikájában látható. Az egyenirányítás aszimmetrikus áramáramlásban mutatkozik meg, amikor az előfeszítés polaritását megváltoztatjuk, ahogy az alább látható.
Junction Diode Symbol and Static I-V Characteristics
De mielőtt a PN átmenetet gyakorlati eszközként vagy egyenirányító eszközként használhatnánk, először előfeszítenünk kell az átmenetet, azaz feszültségpotenciált kell kapcsolnunk rajta. A fenti feszültségtengelyen a “Reverse Bias” a potenciálgátat növelő külső feszültségpotenciálra utal. A potenciálgátat csökkentő külső feszültségről azt mondjuk, hogy “Forward Bias” irányban hat.
A standard Junction diódának két működési tartománya és három lehetséges “előfeszítési” feltétele van, és ezek a következők:
- 1. “Forward Bias”. Nulla előfeszítés – A PN-csomóponti diódára nem kerül külső feszültségpotenciál.
- 2. Fordított előfeszítés – A feszültségpotenciál negatív, (-ve) a P-típusú anyaghoz és pozitív, (+ve) az N-típusú anyaghoz van kapcsolva a diódán keresztül, aminek hatására a PN-csomóponti dióda szélessége megnő.
- 3. Az előfeszítés a PN-csomóponti diódán keresztül történik. Forward Bias – A feszültségpotenciál pozitív, (+ve) a P-típusú anyaghoz és negatív, (-ve) az N-típusú anyaghoz kapcsolódik a diódán keresztül, aminek hatására a PN átmenetű dióda szélessége csökken.
Zero Biased Junction Diode
Mikor a dióda Zero Bias állapotban van bekötve, a PN átmenetre nem jut külső potenciális energia. Ha azonban a diódák kapcsait rövidre zárjuk, akkor a P-típusú anyagban néhány lyuk (többségi hordozó), amelyeknek elég energiájuk van a potenciális gát leküzdéséhez, ezen a gátpotenciál ellenében át fog mozogni az átmeneten. Ezt nevezik “Forward Current”-nek, és IF
Hasonlóképpen, az N-típusú anyagban keletkező lyukak (kisebbségi hordozók) kedvezőnek találják ezt a helyzetet, és az ellenkező irányba mozognak át az átmeneten. Ezt nevezzük “Fordított áramnak”, és IR-ként hivatkozunk rá. Az elektronoknak és lyukaknak ezt az oda-vissza áramlását a PN-összeköttetésen keresztül diffúziónak nevezzük, ahogy az alábbiakban látható.
Nulla előfeszített PN-összeköttetésű dióda
A most meglévő potenciálgát megakadályozza további többségi hordozók diffúzióját az átmeneten keresztül. A potenciálgát azonban segíti a kisebbségi hordozók (kevés szabad elektron a P-régióban és kevés lyuk az N-régióban) átsodródását az átmeneten.
Az “Egyensúly” vagy egyensúly akkor jön létre, amikor a többségi hordozók egyenlőek és mindkettő ellentétes irányba mozog, így a nettó eredmény nulla áram folyik az áramkörben. Amikor ez bekövetkezik, azt mondjuk, hogy az átmenet “dinamikus egyensúlyi” állapotban van.
A kisebbségi hordozók a hőenergia miatt folyamatosan keletkeznek, így ez az egyensúlyi állapot megbontható a PN-átmenet hőmérsékletének növelésével, ami a kisebbségi hordozók keletkezésének növekedését okozza, ezáltal a szivárgási áram növekedését eredményezi, de elektromos áram nem folyhat, mivel a PN-átmenethez nem csatlakozik áramkör.
Reverse Biased PN Junction dióda
Ha a diódát Reverse Bias állapotban kapcsolják össze, akkor az N-típusú anyagra pozitív feszültséget, a P-típusú anyagra pedig negatív feszültséget kapcsolnak.
Az N-típusú anyagra alkalmazott pozitív feszültség az elektronokat a pozitív elektróda felé és az elágazástól távolabb vonzza, míg a P-típusú végén lévő lyukakat szintén az elágazástól távolabb, a negatív elektróda felé vonzza.
A nettó eredmény az, hogy a fogyatkozási réteg az elektronok és lyukak hiánya miatt szélesebbé válik, és nagy impedanciájú utat, szinte szigetelőt jelent, és egy magas potenciálgát jön létre az elágazáson keresztül, így megakadályozza az áram átfolyását a félvezető anyagon.
A fogyóréteg növekedése a fordított előfeszítés hatására
Ez az állapot nagy ellenállási értéket jelent a PN-átmenet számára, és gyakorlatilag nulla áram folyik át az átmenetdiódán az előfeszítés feszültségének növelésével. Azonban egy nagyon kis fordított szivárgási áram folyik át a csomóponton, amely általában mikroamperben, ( μA ) mérhető.
Egy utolsó pont, ha a diódára alkalmazott Vr fordított előfeszültséget elég nagyra növeljük, akkor a dióda PN-csomópontja túlmelegszik és meghibásodik a csomópont körüli lavinahatás miatt. Ez a dióda rövidzárlatát okozhatja, és a maximális áramköráram áramlását eredményezi, és ez az alábbi fordított statikus jelleggörbén lépcsőzetes lejtésként jelenik meg.
Reverse Characteristics Curve for a Junction Diode
Néha ennek a lavinahatásnak gyakorlati alkalmazása van feszültségstabilizáló áramkörökben, ahol egy soros korlátozó ellenállást használnak a diódával, hogy ezt a fordított átütési áramot egy előre beállított maximális értékre korlátozzák, ezáltal egy fix feszültségkimenetet produkálva a diódán. Az ilyen típusú diódák általában Zener-diódák néven ismertek, és egy későbbi oktatóanyagban tárgyaljuk őket.
Előre előfeszített PN Junction dióda
Mikor egy diódát előre előfeszített állapotban kapcsolunk, az N-típusú anyagra negatív feszültséget, a P-típusú anyagra pedig pozitív feszültséget kapcsolunk. Ha ez a külső feszültség nagyobb lesz, mint a potenciálgát értéke, kb. 0,7 volt a szilícium és 0,3 volt a germánium esetében, akkor a potenciálgátak ellenállása leküzdhetővé válik, és áram kezd folyni.
Ez azért van, mert a negatív feszültség az elektronokat az elágazás felé tolja vagy taszítja, így energiát adva nekik az átkeléshez és a pozitív feszültség által az elágazás felé ellentétes irányban tolódó lyukakkal való egyesüléshez. Ez egy olyan jelleggörbét eredményez, amelyben a nulla áram folyik addig a feszültségpontig, amelyet a statikus görbéken “térdnek” neveznek, majd a külső feszültség kis mértékű növekedése mellett nagy áram folyik át a diódán, amint az alább látható.
Első előfeszítési jelleggörbe egy csomóponti diódához
A csomóponti diódán előfeszítő feszültség alkalmazása azt eredményezi, hogy a fogyatkozási réteg nagyon vékony és keskeny lesz, ami egy alacsony impedanciájú utat jelent a csomóponton keresztül, lehetővé téve ezáltal a nagy áramok áramlását. Az a pont, ahol ez a hirtelen áramnövekedés bekövetkezik, a fenti statikus I-V jelleggörbén “térd”-pontként jelenik meg.
A fogyatkozási réteg csökkenése az előfeszítés hatására
Ez az állapot a PN-összeköttetésen keresztülvezető alacsony ellenállású utat jelenti, amely lehetővé teszi, hogy a diódán keresztül nagyon nagy áramok áramoljanak az előfeszítés feszültségének csak kis mértékű növelése mellett. A tényleges potenciálkülönbséget a csomóponton vagy a diódán keresztül a fogyatkozási réteg hatására a germánium-csomóponti diódák esetében körülbelül 0,3 V-nál, szilícium-csomóponti diódák esetében pedig körülbelül 0,7 V-nál tartják állandó értéken.
Mivel a dióda e térdpont felett “végtelen” áramot képes vezetni, mivel gyakorlatilag rövidzárlattá válik, ezért a diódával sorba kapcsolt ellenállásokat használnak az áramáramlás korlátozására. A maximális előremenő áram specifikációjának túllépése azt eredményezi, hogy az eszköz hő formájában több energiát veszít el, mint amennyire tervezték, ami az eszköz nagyon gyors meghibásodását eredményezi.
Átmenetdióda összefoglaló
A PN-csomóponti régió a következő fontos jellemzőkkel rendelkezik:
- A félvezetők kétféle mozgó töltéshordozót, “lyukakat” és “elektronokat” tartalmaznak.
- A lyukak pozitív töltésűek, míg az elektronok negatív töltésűek.
- A félvezető adalékolható donor szennyeződésekkel, például antimonnal (N-típusú adalékolás), így mobil töltéshordozókat tartalmaz, amelyek elsősorban elektronok.
- A félvezető adalékolható akceptor szennyeződésekkel, például bórral (P-típusú adalékolás), így olyan mozgó töltéseket tartalmaz, amelyek főleg lyukak.
- Az elágazási terület maga nem tartalmaz töltéshordozókat, és depletiós területnek nevezik.
- Az átmenet (depletiós) régió fizikai vastagsága az alkalmazott feszültséggel változik.
- Amikor egy dióda nulla előfeszítésű, nincs külső energiaforrás, és egy természetes potenciálgát alakul ki a depletiós rétegen keresztül, amely körülbelül 0.5 és 0,7 V között van a szilícium diódák esetében, és körülbelül 0,3 volt a germánium diódák esetében.
- Ha egy csomóponti dióda előrefelé előfeszített, a fogyatkozási tartomány vastagsága csökken, és a dióda úgy viselkedik, mint egy rövidzárlat, amely lehetővé teszi a teljes áramkör áramlását.
- Ha egy csomóponti dióda visszafelé előfeszített, a fogyatkozási tartomány vastagsága megnő, és a dióda úgy viselkedik, mint egy nyitott áramkör, amely blokkol minden áramlást (csak egy nagyon kis szivárgási áram folyik).
A fentiekben azt is láttuk, hogy a dióda két terminálos nemlineáris eszköz, amelynek I-V karakterisztikája polaritásfüggő, mivel az alkalmazott feszültség, VD polaritásától függően a dióda vagy előre előfeszített, VD > 0 vagy fordított előfeszített, VD < 0. Akárhogy is, ezeket az áram-feszültség karakterisztikákat modellezhetjük mind egy ideális dióda, mind egy valós szilíciumdióda esetében az alábbiak szerint:
Junction Diode Ideal and Real Characteristics
A diódákról szóló következő bemutatóban az általános elektronikai áramkörökben használt, néha kapcsoló diódának is nevezett kisjelű diódát fogjuk megvizsgálni. Ahogy a neve is jelzi, a jeldiódát kisfeszültségű vagy nagyfrekvenciás jelalkalmazásokra tervezték, például rádió- vagy digitális kapcsolóáramkörökben.
A jeldiódák, mint például az 1N4148, csak nagyon kis elektromos áramot engednek át, szemben a nagyáramú hálózati egyenirányító diódákkal, amelyekben általában szilíciumdiódákat használnak. A következő oktatóanyagban is megvizsgáljuk a jelződióda statikus áram-feszültség jelleggörbéjét és paramétereit.
