Het in de vorige tutorial beschreven effect wordt bereikt zonder dat er een externe spanning op de eigenlijke PN junctie wordt gezet, zodat de junctie in een evenwichtstoestand verkeert.
Als we echter elektrische verbindingen maken aan de uiteinden van zowel het N-type als het P-type materiaal en ze vervolgens aansluiten op een batterijbron, bestaat er nu een extra energiebron om de potentiaalbarrière te overwinnen.
Het effect van het toevoegen van deze extra energiebron resulteert in de vrije elektronen die het depletiegebied van de ene kant naar de andere kant kunnen oversteken. Het gedrag van de PN-junctie met betrekking tot de breedte van de potentiaalbarrière levert een asymmetrisch geleidend apparaat met twee aansluitingen op, beter bekend als de PN-junctie-diode.
Een PN-junctie-diode is een van de eenvoudigste halfgeleiderapparaten die er zijn, en die de eigenschap heeft om slechts in één richting stroom door te laten. In tegenstelling tot een weerstand gedraagt een diode zich echter niet lineair ten opzichte van de toegepaste spanning, aangezien de diode een exponentiële stroom-spanningsverhouding (I-V) heeft en we de werking ervan daarom niet kunnen beschrijven door eenvoudigweg een vergelijking te gebruiken zoals de wet van Ohm.
Als een geschikte positieve spanning (voorwaartse bias) wordt toegepast tussen de twee uiteinden van de PN-junctie, kan deze vrije elektronen en gaten voorzien van de extra energie die zij nodig hebben om de junctie over te steken, aangezien de breedte van de depletielaag rond de PN-junctie wordt verminderd.
Door het toepassen van een negatieve spanning (achterwaartse bias) worden de vrije ladingen weggetrokken van de junctie, waardoor de breedte van de depletielaag wordt vergroot. Dit heeft het effect van het verhogen of verlagen van de effectieve weerstand van de junctie zelf waardoor de stroom door de diodes pn-junction.
Dan wordt de depletielaag breder bij een toename in de toepassing van een sperspanning en smaller bij een toename in de toepassing van een sperspanning. Dit is te wijten aan de verschillen in de elektrische eigenschappen aan de twee zijden van de PN-junctie, waardoor fysische veranderingen optreden. Een van de resultaten is rectificatie, zoals te zien is in de statische I-V (stroom-spanning) karakteristieken van de PN-junctie diodes. Rectificatie blijkt uit een asymmetrische stroom wanneer de polariteit van de voorspanning wordt veranderd, zoals hieronder is weergegeven.
Symbool en statische I-V kenmerken van een PN-junctie-diode
Maar voordat we de PN-junctie als een praktisch apparaat of als een gelijkrichtend apparaat kunnen gebruiken, moeten we de junctie eerst voorspannen, dat wil zeggen er een spanningspotentiaal over aansluiten. Op de spanningsas hierboven verwijst “Reverse Bias” naar een extern spanningspotentiaal dat de potentiaalbarrière verhoogt. Van een externe spanning die de potentiaalbarrière doet afnemen wordt gezegd dat deze in de “Forward Bias” richting werkt.
Er zijn twee werkingsgebieden en drie mogelijke “biasing” condities voor de standaard junction diode en deze zijn:
- 1. Zero Bias – Er wordt geen extern spanningspotentiaal aangelegd op de PN junction diode.
- 2. Reverse Bias – Het spanningspotentiaal wordt negatief (-ve) aangesloten op het P-type materiaal en positief (+ve) op het N-type materiaal over de diode, waardoor de breedte van de PN junctie diode toeneemt.
- 3. Forward Bias – Het spanningspotentiaal wordt positief (+ve) aangesloten op het P-type materiaal en negatief (-ve) op het N-type materiaal over de diode, waardoor de breedte van de PN-junktiediode afneemt.
Zero Biased Junction Diode
Wanneer een diode is aangesloten in een Zero Bias conditie, wordt er geen externe potentiële energie toegepast op de PN-junctie. Als de diodeterminals echter met elkaar worden kortgesloten, zullen een paar gaten (meerderheidsdragers) in het P-type materiaal met voldoende energie om de potentiaalbarrière te overwinnen, zich tegen deze barrièrepotentiaal in over de overgang bewegen. Dit staat bekend als de “voorwaartse stroom” en wordt aangeduid als IF
Ook de gaten die in het N-type materiaal ontstaan (minderheidsdragers), vinden deze situatie gunstig en bewegen in tegengestelde richting over de diode. Dit staat bekend als de “Omgekeerde Stroom” en wordt aangeduid als IR. Deze overdracht van elektronen en gaten heen en weer over de PN-overgang staat bekend als diffusie, zoals hieronder weergegeven.
Zero Biased PN Junction Diode
De potentiaalbarrière die nu bestaat, ontmoedigt de diffusie van nog meer meerderheidsdragers over de overgang. De potentiaalbarrière helpt echter minderheidsdragers (weinig vrije elektronen in het P-gebied en weinig gaten in het N-gebied) over de kruising te drijven.
Dan wordt een “evenwicht” of balans bereikt wanneer de meerderheidsdragers gelijk zijn en beide in tegengestelde richting bewegen, zodat het nettoresultaat is dat er nul stroom in de schakeling vloeit. Wanneer dit gebeurt, wordt gezegd dat de verbinding zich in een toestand van “dynamisch evenwicht” bevindt.
De minderheidsdragers worden voortdurend gegenereerd als gevolg van thermische energie, zodat deze evenwichtstoestand kan worden doorbroken door de temperatuur van de PN-verbinding te verhogen, waardoor de generatie van minderheidsdragers toeneemt, wat resulteert in een toename van de lekstroom, maar er kan geen elektrische stroom vloeien, omdat er geen stroomkring met de PN-verbinding is verbonden.
Reverse Biased PN Junction Diode
Wanneer een diode is aangesloten in een Reverse Bias-toestand, wordt een positieve spanning toegepast op het N-type materiaal en een negatieve spanning op het P-type materiaal.
De positieve spanning toegepast op het N-type materiaal trekt elektronen aan naar de positieve elektrode en weg van de kruising, terwijl de gaten in het P-type uiteinde ook worden aangetrokken weg van de kruising naar de negatieve elektrode.
Het netto resultaat is dat de depletielaag breder wordt door een gebrek aan elektronen en gaten en een hoog impedantietraject vormt, bijna een isolator en een hoge potentiaalbarrière wordt gecreëerd over de kruising waardoor wordt voorkomen dat stroom door het halfgeleidermateriaal stroomt.
Toename van de depletielaag door omgekeerde bias
Deze toestand vertegenwoordigt een hoge weerstandswaarde voor de PN-junctie en er vloeit praktisch geen stroom door de junctie-diode bij een toename van de bias-spanning. Er vloeit echter wel een zeer kleine omgekeerde lekstroom door de junctie, die gewoonlijk kan worden gemeten in micro-amperes, ( μA ).
Een laatste punt, als de omgekeerde voorspanning Vr die op de diode wordt toegepast tot een voldoende hoge waarde wordt verhoogd, zal dit ertoe leiden dat de PN junctie van de diode oververhit raakt en faalt als gevolg van het lawine-effect rond de junctie. Dit kan tot gevolg hebben dat de diode kortgesloten wordt en zal resulteren in de stroom van het maximale circuit, en dit wordt weergegeven als een stapsgewijze neerwaartse helling in de onderstaande omgekeerde statische karakteristiekcurve.
Reverse karakteristiekenkromme voor een junctiediode
Soms heeft dit lawine-effect praktische toepassingen in spanningsstabiliserende circuits waar een weerstand in serie met de diode wordt gebruikt om deze omgekeerde doorslagstroom te beperken tot een vooraf ingestelde maximumwaarde, waardoor een vaste spanning over de diode wordt geproduceerd. Deze typen diodes zijn algemeen bekend als Zener-diodes en worden in een latere tutorial besproken.
Forward Biased PN Junction Diode
Wanneer een diode is aangesloten in een Forward Bias-toestand, wordt een negatieve spanning op het N-type materiaal en een positieve spanning op het P-type materiaal gezet. Als dit externe voltage groter wordt dan de waarde van de potentiaalbarrière, ongeveer 0,7 volt voor silicium en 0,3 volt voor germanium, zal de weerstand van de potentiaalbarrière worden overwonnen en zal er stroom gaan lopen.
Dit komt omdat het negatieve voltage elektronen in de richting van de overgang duwt of afstoot waardoor zij de energie krijgen om over te steken en zich te combineren met de gaten die in de tegenovergestelde richting naar de overgang worden geduwd door het positieve voltage. Dit resulteert in een kenmerkenkromme van nul stroom tot dit spanningspunt, de “knie” genoemd op de statische krommen en dan een hoge stroom door de diode met weinig toename van de externe spanning zoals hieronder getoond.
Forward Characteristics Curve for a Junction Diode
De toepassing van een voorwaartse voorspanning op de junctiediode heeft tot gevolg dat de depletielaag zeer dun en smal wordt, wat een pad met lage impedantie door de junctie vormt, waardoor hoge stromen kunnen vloeien. Het punt waarop deze plotselinge toename van de stroom plaatsvindt, wordt op de statische I-V karakteristiekcurve hierboven weergegeven als het “knie”-punt.
Vermindering van de verarmingslaag door voorwaartse voorspanning
Deze toestand vertegenwoordigt het pad met lage weerstand door de PN-junctie, waardoor zeer grote stromen door de diode kunnen vloeien met slechts een kleine toename van de voorspanning. Het eigenlijke potentiaalverschil over de junctie of diode wordt door de werking van de depletielaag constant gehouden op ongeveer 0,3v voor germanium en ongeveer 0,7v voor silicium junctie-diodes.
Omdat de diode boven dit kniepunt een “oneindige” stroom kan geleiden omdat het effectief een kortsluiting wordt, worden daarom weerstanden in serie met de diode gebruikt om de stroom te beperken. Het overschrijden van de maximale voorwaartse stroomspecificatie veroorzaakt dat het apparaat meer stroom in de vorm van warmte afgeeft dan waarvoor het is ontworpen, wat resulteert in een zeer snelle uitval van het apparaat.
Junction Diode Summary
Het PN-knooppuntgebied van een Junction Diode heeft de volgende belangrijke kenmerken:
- Semiconductoren bevatten twee soorten mobiele ladingsdragers, “Gaten” en “Elektronen”.
- De gaten zijn positief geladen, terwijl de elektronen negatief geladen zijn.
- Een halfgeleider kan gedoteerd zijn met donoronzuiverheden, zoals Antimoon (N-type doping), zodat hij mobiele ladingen bevat die voornamelijk elektronen zijn.
- Een halfgeleider kan worden gedoteerd met acceptoronzuiverheden zoals boor (P-type doping), zodat hij mobiele ladingen bevat die voornamelijk gaten zijn.
- Het junctiegebied zelf heeft geen ladingsdragers en staat bekend als het depletiegebied.
- De junction (depletion) regio heeft een fysieke dikte die varieert met de toegepaste spanning.
- Wanneer een diode is Zero Biased geen externe energiebron wordt toegepast en een natuurlijke Potentiële Barrière wordt ontwikkeld over een depletion laag die ongeveer 0.5 tot 0,7 V voor siliciumdiodes en ongeveer 0,3 Volt voor germaniumdiodes.
- Wanneer een junctiediode voorwaarts wordt voorgespannen, neemt de dikte van het depletiegebied af en gedraagt de diode zich als een kortsluiting waardoor er stroom door het volledige circuit kan vloeien.
- Wanneer een junctiediode omgekeerd wordt voorgespannen, neemt de dikte van het depletiegebied toe en gedraagt de diode zich als een open circuit waardoor er geen stroom kan vloeien (alleen een zeer kleine lekstroom zal vloeien).
We hebben hierboven ook gezien dat de diode een niet-lineair apparaat is met twee aansluitingen waarvan de I-V karakteristiek afhankelijk is van de polariteit, omdat afhankelijk van de polariteit van de toegepaste spanning, VD de diode ofwel Forward Biased is, VD > 0 of Reverse Biased, VD < 0. In beide gevallen kunnen we deze stroom-spanningskarakteristieken modelleren voor zowel een ideale diode als voor een echte silicium diode zoals getoond:
Junction Diode Ideale en Echte Karakteristieken
In de volgende tutorial over diodes, zullen we kijken naar de kleine signaal diode die soms een schakelende diode wordt genoemd en die wordt gebruikt in algemene elektronische schakelingen. Zoals de naam al aangeeft, is de signaaldiode ontworpen voor laagspannings- of hoogfrequente signaaltoepassingen, zoals in radio- of digitale schakelingen.
Signaaldiodes, zoals de 1N4148, geven slechts zeer kleine elektrische stromen door, in tegenstelling tot de hoogstroom-netgelijkrichtingsdiodes waarin siliciumdiodes gewoonlijk worden gebruikt. Ook in de volgende tutorial zullen we de statische stroom-spanningskarakteristiek en parameters van de signaaldiode bekijken.
